DE202017004962U1

DE202017004962U1 - Spiegel-Solarempfänger-Anlage

Info

Publication number: DE202017004962U1
Application number: DE202017004962.7U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-09-23
Filing date: 2017-09-23
Publication date: 2017-10-17
Anticipated expiration: 2027-09-24

Abstract

Spiegel-Solarempfänger-Anlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtkonstruktion auf einem drehbaren Gestell (1) mit Stellmotor (2) gelagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spiegel-Solarempfänger-Anlage, bestehend aus einer Anzahl von fünf kreisrunden und parabolisch geformten Spiegelsegmenten zum Zwecke einer Hochtemperaturerzeugung von Sonnenlicht mittels optischer Konzentratoren.
Der Aufbau der Spiegel-Solarreceiver-Konstruktion stellt sich folgendermaßen dar:
Auf einem Drehgestell mit Chassis und Stellmotor befindet sich die komplette Reflektor-Solarempfänger-Anlage. Die Vorrichtung besteht aus einem Spiegelfeld mit fünf festinstallierten, gekrümmten und runden Spiegelsegmenten. Jeder einzelne Reflektor wirft das einfallende Sonnenlicht auf den Brennlinienbereich des viertelkreisförmig dargestellten Receiver. Die gebildete Brennlinie folgt auf der Absorberoberfläche des Empfängers automatisch tageszeitlich dem Lauf der Sonne. Um Reflexionsabweichungen der Spiegelfazetten auszugleichen, ist der Receiver halbzylindrisch geformt und innenseitig verspiegelt. Dies hat zur Folge, dass die eingefangene Strahlung zusätzlich fokussiert und energetisch optimal genutzt wird.
Nachteile bei dieser Bauart entstehen, wenn die einzelnen Spiegelsegmente durch aufwendige Nachführungstechniken ausgestattet werden. Der Kostenaufwand für die zusätzliche Nachführmechanik ist um ein Vielfaches höher als bei stationär befestigten Reflektoren.
Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, eine Anordnung der anfangs genannten Bauart zu konstruieren, der den dargestellten Nachteil beseitigen soll.
Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, die Spiegelanordnung so auszurichten, dass die einzelnen Fokallinien der Konzentratoren sich im Brennlinienbereich des Solarabsorbers vereinigen. Abweichende Strahlen werden von dem halbzylindrisch gebildeten und innenseitig verspiegelten Receiver reflektiert und analog auf die Oberfläche des Absorberrohrs konzentriert. Die Wirkung ist eine Temperatursteigerung und somit energetisch gesehen, eine thermische Leistungserhöhung. Hocheffiziente Spiegelkollektoren müßen in der Regel zweiachsig dem Sonnenstand nachgeführt werden. Die hier beschriebene Konstruktion wird nur einachsig dem Sonnenlauf auf einem Drehgestell ausgerichtet, ohne dass Spiegel und Receiver auf dem Chassis ihre Position verändern. Die beiden Elemente sind starr mit der Drehvorrichtung verbunden. Bei diesem Vorgang kommt folgendes physikalische Prinzip zur praktischen Nutzanwendung:
Die Brennweite der runden Spiegelsegmente und der 45 Grad parabole Neigungswinkel zur Horizontalebene entspricht den halben Radius eines jeden Spiegelkreises. D. h. die Brennlinie befindet sich zu jeder Tageszeit in der Radiushälfte des Halbkreises der kreisförmigen Reflektoren. Daher eignet sich die geometrische Form des Receivers in einem 90 Grad Viertelkreisbogen in perfekter Weise. Egal, wie die Sonnenposition ist, ob vormittags, mittags oder nachmittags, die Brennweite der Konzentratoren bleibt immer gleich. Durch den Viertelkreisbogen des Receivers wird ein 90 Grad Erfassungsbereich abgedeckt. D. h. die Sonnenbahn von morgens bis mittags bis zum Erreichen des Zeniths beträgt ungefähr 90 Grad und mittags bis Sonnenuntergang erfolgt bahnmäßig der gleiche Umkehrprozeß. Die Formgeometrie des Receivers garantiert eine dauerhafte Konzentrierung und Fixierung der Brennlinien aller Reflektoren im Bereich der Absorberoberfläche.
Alternativ kann auch die zweite Spiegelfläche solarthermisch genutzt werden. Es wird ein zweiter Receiver neben dem ersten symmetrisch angeordnet. Der zusätzliche Empfänger funktioniert nach demselben Konstruktionsprinzip wie die beschriebene Anlage. Der optimale Reflexionswinkel der zweiten Hälfte des Spiegelfeldes beträgt etwa 10 Grad. So kann die gesamte Kreisfläche der der installierten Reflektoren thermisch genutzt werden.
Auch der Receiver (siehe 3) kann einachsig dem Lauf der Sonne nachgeführt werden, ohne dass der konstruktive Aufbau technisch verändert werden muß. Bei dem Vorgang wird nur eine Kreishälfte strahlungsmäßig erfaßt und abgedeckt, während die andere Hälfte energetisch ungenutzt bleibt. Die stationäre Fläche des Spiegelfeldes kann im Gegensatz zum Drehgestellkonstrukt beliebig vergrößert werden, weil nur der Receiver mechanisch bewegt werden braucht.
Aus der nachfolgenden Beschreibung und der perpektivischen und schematischen Darstellungen der Spiegel-Solarempfänger-Anlage soll die Erfindung ausführlich erlaütert werden.
1: Perspektivische und schematische Darstellung der Spiegelsegmente und Doppelreceiver in symmetrischer Anordnung.
2: Perspektivische Darstellung des Drehgestells des Spiegel-Solarreceivers.
3: Perspektivische und schematische Darstellung der kreisrunden Spiegelsegmente und der Solarempfänger mit Stellmotor.
4: Schematische Darstellung des Solarreceiver in Form eines Viertelkreisbogens.
Wie aus den vier Darstellungen (1–4) zu ersehen ist, besteht die Reflektor-Solarreceiver-Anlage aus fünf kreisrunden, parabolisch geformten Spiegelsegmenten 3a–e zum Zwecke einer Hochtemperatur-Generierung eines Fluids.
Darunter versteht man ein linienfokussierendes Spiegelsystem, bei dem die einzelnen Reflektoren 3a–e auf einen Empfänger 4a–c, der die Form eines Viertelkreisbogens hat, ausgerichtet sind. Die Spiegelelemente 3a–e und der Receiver 4a–c sind auf einem Drehgestell 1 starr montiert. Die gesamte Solarkonstruktion werden auf dem Gestell mit Hilfe des Stellmotors 2 einachsig dem Sonnenstand nachgeführt. Weitere mechanischen Teile sind nicht erforderlich.
Um die volle Konzentration der Solarstrahlung während der gesamten Sonnenscheindauer zu gewährleisten, kommt folgender physikalischer Prozeß zur praktischen Anwendung:
Bei einem runden Parabolspiegelsegment beträgt die Brennweite einer Radiushälfte des Durchmessers des jeweiligen Konzentrators 3a–e. Auch mit zunehmenden Durchmesser größerer Spiegelsegmente 3a–e verändert sich die radiale Verhältnismäßigkeit des Focus nicht. Werden die Brennlinien der Reflektoren in der Fokallininie des Receivers positioniert, so bleibt der der räumliche Abstand zum Viertelkreisbogen immer gleich. In der Regel verläuft die Sonnenbahn von Aufgang bis Untergang in einem 180 Grad Halbkreis. Der Empfänger kann (dank seiner 90-Grad-Krümmung) die erste Halbzeit der Sonnenscheindauer erfassen. Durch Drehen der Anlage beaufschlagt das Sonnenlicht frontal und dauerhaft die Absorberoberfläche des Receivers. Hat die Sonne den Zenith überschritten, so setzt genau ein Umkehrprozeß des Vorganges wie beim Sonnenaufgang ein.
Nun zum Receiver:
Der Aufbau des Solarreceivers 4a–c besteht in seinen Einzelteilen aus dem Leitungsrohr 4c (in U-Form) für den Durchlauf der Wärmeträgerflüssigkeit. Der Absorber 4b ist ein metallenes Hohlrohr, in dem Wärmeträgerleitung 4c verläuft. Die Absorberoberfläche hat eine Schwarzchrompigmentierung, um das gebündelte Licht in hochwirksame Temperaturen umzuwandeln. Begünstigt wird der thermodynamische Effekt durch eine Hochvakuumwärmedämmung zwischen dem Absorberrohr 4b und dem Schutzglas 4a des Receivers 4a–c. Die Wärmeverluste durch Abstrahlung, Konvektion und Weiterleitung des Fluids werden aufgrund optimaler Wärmedämmeigenschaften durch den Vakuumzustand im isothermischen Bereich drastisch gesenkt. Der thermische Umsetzungsprozeß bedeutet eine weitere Steigerung von erzielbaren hohen Energiewirkungsgraden.
Die Anordnung der einzelnen Spiegelsegmente hält die Verschattung des Spiegelfeldes in Grenzen.
Da die solarthermische Anlage im Aufbau und im mechanischen Bereich einfach konstruiert ist. ergibt sich für die Erfindung ein günstiges Kosten/Nutzen-Verhältnis.

Claims

Spiegel-Solarempfänger-Anlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtkonstruktion auf einem drehbaren Gestell (1) mit Stellmotor (2) gelagert ist.
Spiegel-Solarempfänger-Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass fünf kreisrunde Spiegelsegmente (3a–e), die parabolisch geformt sind, mittels eines Drehgestell (1) und Stellmotor (2) einachsig und zweidimensional beweglich sind.
Spiegel-Solarempfänger-Anlage nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die fünf runden Spiegelelemente (3a–e) in ihrer Konzentration brennlinienfixiert auf den Solarreceiver (4a–c) ausgerichtet sind.
Spiegel-Solarempfänger-Anlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Receiver (4a–c) einen 90 Grad Viertelkreisbogen bildet und in Längsausrichtung eine halbzylindrische (innen verspiegelte Fläche) Form (4a–c) hat, um Reflexionsungenauigkeiten auszugleichen.
Spiegel-Solarempfänger-Anlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Receiverkonstruktion (4a–c) aus einem Schutzglasrohr (4a), dem Absorberrohr (4b) und der U-förmigen Rohrleitung (4c) für das Wärmeträgermedium, besteht.
Spiegel-Solarempfänger-Anlage nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Receiver (4a–c) so positioniert ist, dass die gebündelte Lichtstrahlung der fünf Konzentratoren (3a–e) während der gesamten Sonnenscheindauer als Fokallinie auf den Absorber (4b) linienfokussiert wird.