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Verfahren und Einrichtung zum Umsetzen von Sonnenstrahlungsenergie
in mechanische Arbeit Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umsetzen von Sonnen-Strahlungsenergie
in mecha,nis.che Arbeit in dem die Strahlungsenergie mittels eines Reflektors auf
eine Wirkzone konzentriert wird und eine Einrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens
mit einem Reflektor zum Konzentrieren der Strahlungsenergie auf eine Wirkzone, einer
einen geschlossenen Kreislauf für ein Arbeitsmittel aufweisende Wärmekraftmaschine
mit einer Kühlvorrichtung für das Arbeitsmittel.
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Es wurden schon verschiedene Verfahren und Einrichtungen zur Nutzung
von Sonnenenergie vorgeschlagen. Durch die bekannte Art und Weise der wärmezufuhr
an das Arbeitsmedium werden nur
begrenzt hohe, ja sogar relativ
kleine Temperaturen erreicht, womit die Sonnenenergie nur mit einem sehr kleinen
Yiirkungsgrad-ausgenützt wird, was sich durch einen kleinen Carnot-Faktor der betreffenden
lärmekraftanlage bemerkbar macht. Die Sonnenenergie wird dabei beispielsweise mittels
Kollektoren, in denen schwarz bemalte Rohre angeordnet sind, aufgefangen.
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Die Rohre mSinden in ein zentrales Sa?mmelrohr, über welches auf 700G
erwärmtes Wasser einem 't7ärmekraftnrozess zugeführt wird.
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Infolge des geringen Temperaturunterschiedes zwischen dem kalten und
dem warmen Arbeitsmedium erhält man nur einen sehr kleinen Wirkungsgrad. In den
meisten Fällen liegt dieser theoretisch unter 10%, praktisch jedoch nur bei etwa
2%.
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Die Sonne stellt ein grosses Energiepotential dar, das im Gegensatz
zu den fossilen Brennstoffen unbeschränkt und kostenlos zur Verfügung steht. Obschon
die Sonnenstrahlung mit einer relativ kleinen Energiedichte von max. 1 TCW/m² auf
der Erdoberfläche anfällt, handelt es sich thermodynamisch betrachtet um eine sehr
hochwertige Form von Energie, denn sie entspringt einer .lärmequelle von über 6000°C.
Der grösste Energieanteil fällt in Form von elektromagnetischer Strahlung im Frequenz
spektrum des kurzwelligen Infrarots an.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Umsetzen von Sonnenstrahlungsenergie
in mechanische Arbeit anzugeben und eine Einrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens
zu schaffen, bei denen das Arbeitsmedium auf eine höhere Temperatur gebracht wird,
damit der Umsetzungsnrozess mit einem wesentlich höheren Wirkungsgrad durchgeführt
werden kann, als dies mit bisher bekannten Verfahren bzw. Einrichtungen möglich
war.
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Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man
den in sich geschlossenen Kreislauf eines Arbeitsmittels
einer 'lärmekraftmaschine
durch die genannte Wirkzone leitet, und dass die Strahlungsenergie direkt in das
Arbeitsmittel eingestrahlt wird, um von diesem absorbiert zu werden.
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Die erfindungsgemässe Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass
der Kreislauf eine in der Wirkzone angeordnete Erhitzungskammer für das Arbeitsmittel
umfasst und dass wenigstens ein Teil der die Erhitzungskammer umschliessenden Wandung
aus einem für die Strahlungsenergie transparenten Material besteht.
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Die Erfindung ist nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnung beispielsweise
näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Seitenansicht einer schematisch dargestellten
Einrichtung zum Umsetzen von Sonnenenergie in mechanische Arbeit mit einem narabolischen
Reflektor, der dem Sonnenstand nachführbar ist, Fig. 2 eine Seitenansicht eines
weiteren Ausführungsbeisniels einer solchen Einrichtung mit einem halben parabolischen
Reflektor, Fig. 3 einenQuerschnitt durch eine Wärmekraftrnaschine, wie sie in den
Einrichtungen gemäss den Fig. 1 und 2 verwendet wird, Fig. 4 einen Querschnitt durch
einen Teil eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Wärmekraftmaschine und Fig.
5 einen Querschnitt durch einen Teil eines dritten Ausführungsbeispiels einer Wärmekraftmaschine.
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Bei der nachstehend beschriebenen Erfindung geht es darum, dass die
Sonnenenergie möglichst hoclvert'ig beibehalten wird, d.h. bei höchstmöglicher Temperatur
in einen thermodynamischen Kreisprozess zur Erzeugung von mechanischer Arbeit eingebracht
wird.
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Die in der Fig. 1 dargestellte Einrichtung weist einen auf einem Bock
1 um eine Achse 2 schwenkbaren Parabol-Zylinderspiegel 3 auf. Der Bock 1 ist im
Boden 4 fest verankert. Mittels eines nicht dargestellten Antriebes kann der Parabol-Zylinderspiegel
3 dem Sonnenstand nachgeführt werden.-Längs der Brennlinie des Parabol-Zylinders-iegels
ist eine Wärmekraftmaschine 5, die weiter unten mit Bezug auf die Fig. 3 näher beschrieben
ist, angeordnet. Die Wärmekraftriaschine 5 ist über zwei Trager 6, von denen in
der Fig 1 nur einer sichtbar ist, starr mit den seitlichen Randgebieten des Parabol-Zylinderspiegels
3 verbunden. Die parallel in den Parabol-Zylindersniegel 3 einfallenden Sonnenstrahlen
7 werden durch diesen Spiegel 3 auf eine 'e7irkzone konzentriert und dort wird die
Strahlungsenergie auf direktem Wege in ein Arbeitsmittel übertragen.
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Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer derartigen
Einrichtung mit einem halben Parabol-Zylinderspiegel 8, der um eine Achse 9 schwenkbar
auf einem im Boden verankerten Bock 11 gelagert ist. Die ?!srmekraftmaschine 5,
die dieselbe gemäss der Fig. 1 sein kann, ist über zwei Träger 12 mit den unteren
Eckbereichen des Parabol-Zylinderspiegels 8 starr verbunden und längs der Brennlinie
des Spiegels 8 angeordnet, so dass die parallel einfallenden Sonnenstrahlen im Bereich
der Wärmekraftmaschine 5 konzentriert werden. Die Verwendung des halben Parabol-Zylinderspiegels
8 hat den Vorteil, dass die Wärmekraftmaschine 5 ausserhalb des Bereiches der einfallenden
Sonnenstrahlen in den Spiegel 8 angeordnet ist und dass die Wärmekraftmaschine 5
und allfällig ihr zugeordnete Hilfsvorrichtungen den Strahleneinfall in den Spiegel
8 nicht beeinträchtigen. Ferner kann dadurch eine günstigere Energiedichteverteilung
in der Wirkzone erreicht werden.
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In der Fig. 3 ist ein Querschnitt durch die Närmekraftmaschine 5
dargestellt.
Diese besitzt beispielsweise ein rohrförmiges Gehäuse 13 mit einer zylindrischen
Bohrung 14, in welcher ein Rotor 15 exzentrisch und drehbar gelagert ist. Der Rotor
15 weist eine Anzahl über seine ganze Länge radial verlaufende Nuten 16 auf, in
denen in radialer Richtung bewegliche Schieber 17 geführt sind.
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Zwischen dem Boden der Nuten 16 und den eingesetzten Schiebern 17
sind relativ schwache Federorgane 18 angeordnet, welche die Schieber 17 nach aussen
drücken, so dass beim Stillstand des Rotors 15 die Schieber 17 an die V?and der
Bohrung 14 anliegen. Wennder otor 15 dreht, so werden die Schieber 17 durch die
Zentrifugalkraft nach aus3en gepresst, um die notwendige Abdichtungswirkung zwischen
den Schiebern 17 und der Wandung der Bohrung 14 zu erzielen. Durch je zwei benachbarte
Schieber 17, einen Teil der Wandung der Bohrung 14 und einen Teil der Oberfläche
des Rotors 15 werden eine Anzahl Kammern 19 begrenzt, deren Volumen vom Drehwinkel
des Rotors 15 abhängig ist.
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Ein mit Bezug auf die Fig. 3 unterer Teil 20 des Gehäuses 13 besteht
aus einem für elektromagnetische Strahlung im Wellenbereich von 0,2 bis mindestens
3,0 µ durchlässigen Material. In der untesten Kammer 19, die in der Fig. 3 dargestellt
ist, befindet sich ein flüssiges Arbeitsmittel, in welches ein Teil der konzentrierten
Sonnenstrahlen 21 durch den transparenten Teil 20 des Gehäuses 13 direkt eingestrahlt
wird, um von dem Arbeitsmittel grösstenteils absorbiert zu werden.
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Durch die sehr intensive Strahlungseinwirkung wird das Arbeitsmittel
in der untersten Kammer sehr schnell erhitzt und verdamrft, wobei der Dampf vorzugsweise
noch überhitzt wird. Durch den dabei auftretenden Druck in der untersten Ka.m.merjwird
der Rotor 15 im Uhrzeigersinn gemäss dem Pfeil 22 angetrieben. Nach einer Drehung
des Rotors 15 um ca. 1800 erreicht die ursprünglich untereste
Kammer
19 ihre oberste Lage und das entspannte dampfförmige Arbeitsmittel entweicht über
einen Kanal 23 in einen Kühlraum 24. Dieser ist mit einer mit Kühlrippen 25 versehenen
Wand 26 umgeben. Eine Nase 27 ragt in den Kanal 23 hinein, damit dasaus der obersten
Kammer 19 ausströmende damnfförmige Arbeitsmittel grösstenteils durch den Kanal
23 in den Kühlraum 24 gelangt. Das aus der obersten Kammer 19 ausströmende dampfförmige
Arbeitsmittel kühlt sich infolge der weiteren Expansion und durch die Kühlwirkung
der mit den Eühlrinnen 25 versehenen \wand 26 ab und kondensiert auf den Innenseiten
von einem Ausgangskanal 28 bildenden Wänden 29. Das kondensierte Arbeitsmittel fliesst
längs des sich verjüngenden Ausgangskanales 28 nach unten, um über einen Zuführkanal
30 in die sich unmittelbar vor der untersten Kammer 19 befindlichen Kammer zurückgeführt
zu werden. Darauf beginnt der oben beschriebene Vorgang von neuem.
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Der oben beschriebene Vorgang hat gewisse Aehnlichkeit mit dem Arbeitsprozess
eines Drehkolbenverbrennungsmotors. Der entscheidende Unterschied ist, dass die
Energie im Arbeitsraiirn, d.h. in der sich in Drehrichtung des Rotors 15 vergrössernden
Kammer 19, -nicht durch Verbrennung eines '5reibstoffes erzeugt wird, sondern durch
direkte Einstrahlung von Wärmeenergie in das Arbeitsmedium übertragen wird. Die
Temperatur, auf welche das Arbeitsmittel durch die konzentrierte Einstrahlung erhitzt
wird, kann ahnlich hoch gewählt werden, wie die Temperatur der Gase, die bei. einem
Verbrennungsmotor entstehen. Damit lässt sich ein hoher Carnot-Faktor bzw. Energienutzungsgrad
erreichen.
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Als Folge der direkten Einstrahlung von stark gebündelter Sonnenenergie
durch den transparenten Teil 20 des Gehäuses direkt in das Arbeitsmedium, welches
die Energie absorbiert, treten wesentlich geringere 'ärmeübertragungsverluste auf,
als bei den konventionellen
Methoden, bei denen die Strahlung zunächst
auf einen schwarzen Körper gerichtet wird, in welchem sich ein Arbeitsmedium befindet
und das auf dem Umweg über ?iärmeleitung und Konvektion erhitzt wird. Ebenso kann
durch dieses Verfahren eine sehr hohe Energiedichte für die Uebertragung in das
Arbeitsmittel erreicht werden. Bei der direkten Einstrahlung der Energie in das
Arbeitsmittel weist das Arbeitsmittel eine höhere Te.peratur auf als die dasselbe
einschliessenden Teile, wodurch auch die Wärmeabstrahlung dieser Teile geringer
ist, was ebenfalls zu einer Erhöhung des Wirwngsgrades beiträgt.
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Die Kühlwirkung im Kühlraum 24 kann durch Anblasen der Kühlrippen
25 mit einem kühlen Luftstrom oder durch das Vorsehen einer nicht dargestellten
Wasser1cühlung vergrössert werden.
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Das dabei erwärmte Kühlwasser kann zum Beheizen von Räumen oder zum
Betrieb von Wärmepumpen weiter ausgenützt werden.
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Die Pig. 4 zeigt einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel
einer Wärmekraftmaschine 31, die zum Betrieb mit einem gasförmigen Arbeitsmittel
geeignet ist. In der Bohrung 32 eines rohrförmigen Gehäuses 33 ist ein Rotor 34
exzentrisch angeordnet und drehbar gelagert. Dieser Rotor 34 besitzt sechs radial
gerichtete Längsnuten 35 in denen je ein Schieber 36 beweglich geführt ist. Relativ
schwache, nicht dargestellte Federmittel sorgen dafür, dass alle Schieber 36 auch
beim Stillstand des Rotors 34 an die Innenseite des Gehäuses 33 anliegen. Ein unterer
Teil 37 des in der Fig. 4 dargestellten Gehäuses ist aus einem für elektromagnetische
Strahlen im Wellenlängenbereich von 0,2 bis mindestens 3,0)x durchlässigen Material
hergestellt.
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Ueber einen Einlasskanal 38 wird von einer nur mit einer geastrichelten
Linie 39 angedeuteten Kühlvorrichtung kühles Gas
oder ein Gasgemisch
in die sich im Bereich des Einlasskanals 38 befindlichen Kammer 40 geleitet und
bei Drehung des Rotors 34 in Richtung des Pfeiles 41 komprimiert und in die Wirkzone
auf der Innenseite des transparenten Teiles 37 des Gehäuses 33 verbracht.
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Benn'das in der Kammer 40 eingeschlossene und komprimierte gasförmige
Arbeitsmittel die xirlizone erreicht, wird dieses durch die sehr hoch konzentrierte
Strahlung schnell erhitzt und durch den dadurch bedingten Druckanstieg im Innern
der Kammer 40 wird der Rotor 34 angetrieben, wobei das erhitzte Arbeitsmedium die
Wirkzone verlässt, grösstenteils expandiert ;und schliesslich durch einen Austrittskanal
42 das Gehäuse 33 verlässt,um der durch die Linie 39 angedeuteten Kühlvorrichtung
zugeführt zu werden.
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Die durch die Linie 39 dargestellte Kühlvorrichtung kann ein einfacher
l,Yarmeaustauscher sein, wobei das Arbeitsmittel im Wärmeaustauscher so weit expandiert
wird, dass ein ausreichender Gasaustausch stattfindet.
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Als Arbeitsmittel eignen sich Gase, Gasgemische, Suspensionen, Aerosole
oder Nebel. Die Suspension oder der Nebel kann Teilchen mit schmierenden Eigenschaften
enthalten. Je nach dem verwendeten Arbeitsmittel werden die Betriebsbedingungen
vorzugsweise so gewählt, dass sich das Arbeitsmittel zumindest in der Wirkzone im
überkritischen Zustand befindet.
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Die Fig. 5 zeigt einen Querschnitt' durch eine dritte Ausführungsform
einer W'rmekraftmaschine 43 mit einem rohrförmigen Gehäuse 44 und einem darin exzentrisch
angeordneten Rotor 45. Der Rotor 45 besitzt radial bewegliche Schieber 46. Das Gehäuse
44 weist einen an eine nur durch eine Linie 47 angedeutete Kühlvorrichtung angeschlossenen
Einlasskanal 48 zum Zuführen eines Arbeitsmittels,
sowie einen
Austrittskanal 49 auf, der ebenfalls an die genannte Kühlvorrichtung angeschlossen
ist. Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen gemäss den Fig. 3 und 4 wird der
sich jeweilen in der untersten StellungçbeSindliche Schieber 46 praktisch vollständig
in die Nut im Rotor eingeschoben, weil der Rotor 45 so exzentrisch angeordnet ist,
dass er die Innenseite des Gehäuses 44 im unteren Bereich fast berührt.
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Unterhalb des Gehäuses 44 ist eine Erhitzungskammer 50 angeord.-net,
von der zumindest die untere, der konzentrierten Strahlung ausgesetzte Wandung 51
aus einem für elektromagnetische Strahlung durchlässigen laterial besteht. Das durch
den Einlasskanal 48 in das Gehause eintretende, relativ kühle Arbeitsmittel wird
komnrimiert und über einen Zuführkanal 52 in die Erhitzungskammer 50 gepresst. Das
in der Erhitzungskammer 50 befindliche Arbeitsmittel absorbiert die konzentriert
eingestrahlte Energie und wird dabei sehr schnell erhitzt und über einen Abführkanal
53 in die sich im untersten Bereich des Gehäuses 44 befindliche srkanmer 54 geleitet.
Durch den in dieser Kammer 54 entstehenden Ueberdruck und durch die entsprechende
Anordnung der IfanCle 52 bzw. 53 wird der Rotor 45 angetrieben, um dann das erhitzte
und in der Folge teilweise expandierte Arbeitsmittel aber den Austrittskanal 49
der durch die Linie 47 angedeuteten Kühlvorrichtung zuzuführen.
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Auf einer der Stirnseiten des Gehäuses der oben beschriebenen Wärmekraftmaschinen
5, 31 und 43 durchstösst eine nicht dargestellte mit dem Rotor 15,34 bzw. 45 starr
verbundene zelle das Gehäuse. Ueber ein auf dieser Welle aufgesetztes Rad oder Getriebe
kann eine beliebige Maschine angetrieben werden. Vorzugsweise nirdd diese :;ielle
mit einem elektrischen Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie verbunden.
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XBeisnielsvweise kann das ganze rohrförmige Gehäuse 33 der Wärmekraftmaschine
31 gemäss der Fig. 4 aus einem für elektromagnetische Strahlen durchlässigen Material,
z.B. aus Quarzglas bestehen, wobei jedoch vorzugsweise die nicht der Strahlung ausgesetzten
Teile des Gehäuses mit einer die Strahlung nicht durchlässigen Schicht bedeck-t
ist, oder aus einem anderen Eaterial bestehen.
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Es ist nicht unbedingt not?'Tendig, daso sich die Wärmekraftmaschine
über die ganze Länge der Parabol-Zylinderspiegel 3 bzw 8 erstreckt, sondern es können
auch mehrere solcher Wcirm.ekraftmaschinen in Reihe hintereinander längs der Brennlinie
dieser Spiegel angeordnet sein.
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Als 7'farmekraftmaschine kann auch eine Ereiskolben- oder Drehkolbenmaschine
verwendet werden. Ebenso kann eine Wärmekraftmaschine nach der Arbeitsweise eines
Heissluftmotors in Frage kommen.
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Je nach der Bauform wird vorzugsweise anstelle des Parabol-Zylinderspiegels
ein runder Parabolspiegel zur Konzentration der Strahlung gewählt. So kommt beisnielsv!eise
bei geschlossenem Prozess mit einer 2-TaI-Hubkclbenmaschine nur ein runder Parabolspiegel
zur Anwendung.
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Die der oben beschriebenen Erfindung zugrunde liegende direkte Uebertragung
der Sonnenenergie auf das Arbeitsmittel erlaubt mit höchsten, nur durch werkstoff
begrenzte Temneraturen zu arbeiten, indem die Sonnenstrahlung stark gebündelt und
über eine strahlungsdurchlässige Begrenzungswand direkt dem Arbeitsmittel zur Absorption
zugeführt wird, wobei diese Erhitzung in Eer Erhitzungskammer einer Wärmekraftmaschine
erfolgt.