DE202005017622U1

DE202005017622U1 - Solarthermische Anlage

Info

Publication number: DE202005017622U1
Application number: DE202005017622U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-11-11
Filing date: 2005-11-11
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2015-11-12

Abstract

Anlage zur Umwandlung von solarthermischer Energie in mechanische Energie, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Absorberrohr von Parabolrinnenkollektoren komprimierte Luft erwärmt und anschließend in einem ventilgesteuerten Hubkolbenmotor expandiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Umwandlung von solarthermischer Energie in mechanische Energie, die einen höheren Wirkungsgrad erzielt, als die bisherigen Systeme.
Nach dem heutigen Stand der Technik¹ werden reflektierende Parabolrinnen eingesetzt, um die Solarstrahlen auf ein Absorberrohr zu konzentrieren. In diesem fließt ein Wärmeträger, der die solarthermische Energie aufnimmt und diese über einen Wärmetauscher an Wärmekraftmaschinen weitergibt.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß die Ausdehnung der Luft durch Sonneneinstrahlung unmittelbar ausgenutzt wird. Im folgenden wird eine Anlage beschrieben, die die Lösung der Aufgabe umsetzt.
Aufbau der Anlage
Die Anlage besteht aus folgenden Komponenten, deren Zusammenwirken in 1 dargestellt sind:

1. Kolbenkompressor
2. Absorberrohr
3. Parabolrinne
4. Ventilgesteuerter Hubkolbenmotor
5. Einlaßventil vom Hubkolbenmotor
6. Kraftschlüssige Verbindung

Prozeßablauf
Der Ablauf der am Prozeß beteiligten Luft ist in 2 dargestellt und ist in folgende Schritte gegliedert:

1. Der Kolbenkompressor hat die Umweltluft von außen angesaugt.
2. Die komprimierte Luft wird dem Absorberrohr bei erhöhtem Druck zugeführt.
3. Die Luft durchläuft das Absorberrohr und nimmt solarthermische Energie auf.
4. Danach gelangt sie bis zum Schließen des Einlaßventils in den Hubkolbenmotor.
5. Nach der Expansion der Prozeßluft befindet sich der Motorkolben im unteren Totpunkt.

Die durch die Verdrängung und anschließende Expansion verrichtete Arbeit wird teilweise über eine kraftschlüssige Verbindung zum Antrieb des Kompressors übertragen.
Auslegung der Anlage
Die Leistungsgrößen der Komponenten müssen so beschaffen sein, daß der vom Motor aufgenommene Volumenstrom größer als der vom Kompressor ausgestoßene ist.
Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades müssen die Komponenten nach thermischen Gesetzen zueinander abgestimmt werden.
Prozeßablauf
Der Ablauf gliedert sich nach Zustandsänderungen der am Prozeß beteiligten Luft. Sie wird im Gegensatz zur Umweltluft im folgenden als Prozeßluft bezeichnet.
1) Kolbenkompressor hat die Umweltluft von außen angesaugt
Nach dem Ansaugen der Außenluft hat diese folgende Werte:
2) Komprimierte Luft wird dem Absorberrohr zugeführt
Nach dem Komprimieren hat die Luft die Werte p₂, v₂ und T₂.
Daraus ergibt sich das Verdichtungsverhältnis des Kompressors
und nach der Isentropen-Gleichung
Die für die Kompression benötigte Volumenänderungsarbeit ist
Die Verdrängungsenergie, die notwendig ist, um die verdichtete Luft in das Absorberrohr zu drücken, bleibt unberücksichtigt, da diese Energie beim Motor wieder gewonnen wird.
3) Durchlaufen der Luft durch das Absorberrohr
Beim Durchlaufen durch das Absorberrohr wird die Leistungsaufnahme der Prozeßluft durch folgende Leistungsangebote und -verluste bestimmt, welche in 3 grafisch dargestellt sind:

• verfügbares Leistungsangebot pro Meter Kollektorlänge Sonnenleistung, die auf die Apertur (Öffnungsfläche) der Parabolrinne einstrahlt
a: Sonneneinstrahlung [W/m²] A_A: Apertur [m²] η_opt: optischer Wirkungsgrad
• abstrahlende Leistung pro Meter Kollektorlänge Verlust, der durch die Wärmeabstrahlung der Prozeßluft entsteht. Konvektionsverluste bleiben aufgrund der Isolation unberücksichtigt.
ε: Emissionskoeffizient σ: Stefan-Boltzmann-Konstante [W/(m²k⁴)] A_U: Umfangsfläche des Absorberrohrs auf 1 m Länge [m²] T: absolute Temperatur [°K]
• Leistungsaufnahmefäbigkeit pro Meter Kollektorlänge Fähigkeit der Prozeßluft, bei einer vorhandenen Temperaturdifferenz zwischen Rohrwand und Prozeßluft eine Wärmeleistung aufzunehmen.
α : Wärmeübergangskoeffizient [W/(m²k)]

Die theoretisch erreichbare max. Temperatur wird erreicht, wenn das verfügbare Leistungsangebot gleich der abstrahlenden Leistung ist. Das heißt auch, daß bis zu dieser maximalen Temperatur sich das Rohr bei nicht fließender Prozeßluft erhitzt.
Die Prozeßluft soll das Absorberrohr so lange durchlaufen, bis sie die angebotene Wärme nicht mehr vollständig aufnehmen kann. Dieser Zeitpunkt wird erreicht, wenn die Leistungsaufnahmefähigkeit gleich der verfügbaren Leistung ist
Daraus ergibt sich eine für uns optimale Temperatur
4) Einströmen der Prozeßluft in den Motor
Nachdem die Prozeßluft das Absorberrohr durchlaufen hat, hat sie die Werte p₄, V₄ und T₄ (2)
Absorber- und Parabolrinnenlänge wurden so gewählt, daß die Temperatur T4 = T3 ist. Motor und Kompressor sollten so ausgelegt sein, daß der Druck im Absorberrohr annähernd konstant bei p₂ bleibt. Nach der allgemeinen Gasgleichung ergibt sich
Das Volumen hat sich dabei um Δν = ν4 – ν3 vergrößert und eine Raumvergrößerungsarbeit geleistet: WRaum = p2 · ΔνDaraus ergibt sich:
5) Luft ist im Motor expandiert
Nach der Expansion der Prozeßluft im Motorzylinder hat sie die Werte p₅, v₅ und T₅ angenommen und dabei folgende Arbeit verrichtet:
Energiebilanz
Die mechanische Arbeit ergibt sich aus der Summe der zugeführten und gewonnenen Energien: WM = WRaum + WExp + WK
Die Gleichungen für die Berechnung der Volumenänderungsarbeiten ergeben bei gewonnener Arbeit Werte mit negativem Vorzeichen.
Optimales Verdichtungsverhältnis
Unter der Vorraussetzung, daß εK = εM ist, läßt sich die mechanische Arbeit Q_M (ε) in Abhängigkeit von ε berechnen. Dadurch ergibt sich ein Maximalwert an der Stelle

Claims

Anlage zur Umwandlung von solarthermischer Energie in mechanische Energie, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Absorberrohr von Parabolrinnenkollektoren komprimierte Luft erwärmt und anschließend in einem ventilgesteuerten Hubkolbenmotor expandiert.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgenommene Energie des Motors größer als die vom Kompressor zugeführte ist.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der mechanischen Energie des Motors über eine kraftschlüssige Verbindung zum Antrieb des Kompressors verwendet wird.