DE2461973A1

DE2461973A1 - Heating of liquid or gaseous medium by solar energy - with solar rays captured by reflector device

Info

Publication number: DE2461973A1
Application number: DE19742461973
Authority: DE
Inventors: Mario Dipl Ing Posnansky
Original assignee: MARBACH WALTER
Current assignee: Posnansky Mario Dipl-Ing Bern Ch
Priority date: 1974-01-07
Filing date: 1974-12-30
Publication date: 1975-07-10
Also published as: AU7698974A; CH564177A5; JPS50101942A

Abstract

The rays of the sun are concentrated onto an effective area and the medium is conveyed through this effective area in a vessel which is transparent to solar radiation. Energy is transmitted to the medium for the most part by direct irradiation. The radiation not absorbed by the medium can be absorbed by means located inside the vessel and the thermal energy absorbed by means located inside the vessel and the thermal energy absorbed by the means can be transferred to the medium by convection. The material of the vessel is permeable by electromagnetic radiation in the wave range between 0.2 and 3 mum and the absorbent means can be a body with a star-shaped cross section.

Description

Verfahren und Einrichtung zum Erwärmen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums mittels Sonnenenergie Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums mittels Sonnenenerg.iey wobei die Sonnenstrahlen durch eine Reflektorvorrichtung eingefangen und auf einen Wirkbereich konzentriert werden und das Medium durch diesen Wirkbereich hindurchgeführt wird.Method and device for heating a liquid or gaseous Medium by means of solar energy The invention relates to a method for heating a liquid or gaseous medium by means of Sonnenenerg.iey whereby the sun's rays captured by a reflector device and concentrated on an effective area and the medium is passed through this effective area.

Der bisher in einem grösseren Rahmen noch völlig ungenutzte Energieanfall der Sonne birgt technische Möglichkeiten der Energwegewinnung, für die sich aus der heutigen Sicht keine Hemmnisse für die Zukunft ergeben. Bei senkrechter Sonneneinstrahlung fällt auf eine Oberfläche von 10-mal 10 km eine Leistung von 100'000 MW ein. Dies entspricht einer Leistung von etwa 100 Grosskernkraftwerken zusammen. Die Sonne stellt daher für uns zweifellos ein grosses Energiepotential dar. In gewissen Ländern liessen sich Gebiete, die heute brach liegen, für Energiezwecke nutzbar machen.The amount of energy that has so far been completely unused on a larger scale the sun harbors technical possibilities of energy path production, for which from From today's perspective, there are no obstacles for the future. In vertical sunlight an output of 100,000 MW falls on a surface of 10 by 10 km. this corresponds to an output of around 100 large nuclear power plants combined. The sun therefore undoubtedly represents a great energy potential for us. In certain countries areas that are fallow today could be made usable for energy purposes.

Bisher fehlt jedoch die entsprechende Solartechnologie.So far, however, the corresponding solar technology is missing.

ES sind sogenannte Sonnenöfen bekannt, die Reflektoren aufweisen, welche die Sonnenstrahlen auf einen eng begrenzten Bereich konzentrieren, wobei in diesem Bereich Temperaturen bis zu 39000 c erzeugt werden, welche Temperaturen ausreichen um Werkstoffe zu schmelzen und zu verarbeitene Weiter sind schon Parabol-Zylinderspiegel vorgeschlagen worden, längs deren Brennlinie Stahlröhren zum Erzeugen von Wasserdampf angeordnet sind.So-called solar ovens are known that have reflectors, which concentrate the sun's rays on a narrowly limited area, whereby in this area temperatures up to 39000 c are generated, which temperatures sufficient to melt materials and to process them been proposed along their focal line steel tubes for generating water vapor are arranged.

Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung anzugeben, die gestatten den Wirkungsgrad derartiger Anlagen zu erhöhen, um damit zu einer besseren Ausnützung der Sonnenenergie beizutragen.It is the object of the invention to specify a method and a device, which allow the efficiency of such systems to increase in order to become one to contribute to better use of solar energy.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Medium in einem für die Sonnenstrahlung transparentes Sefäss durch den Wirkbereich geführt wird, und dass die Energieübertragung auf das Medium durch direkte Einstrahlung in dasselbe er folgt.The inventive method is characterized in that the Medium in a container that is transparent to solar radiation through the effective area is performed, and that the energy transfer to the medium by direct radiation in the same he follows.

Die erfindungsgemässe Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens, mit wenigstens einer Reflektorvorrichtung und einem Gefäss zum Führen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums durch jenen Bereich in dem durch die Reflektorvorrichtung die Sonnenstrahlen konzentriert werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Material, aus dem das Gefäss besteht, für elektromagnetische Strahlung im Wellenbereich von 0,2 - 3 Wm durchlässig ist, und dass die Sonnenstrahlen absorbierende Mittel innerhalb des Gefässes vorgesehen sind.The device according to the invention for performing the method, with at least one reflector device and a vessel for carrying a liquid or gaseous medium through that region in that through the reflector device the sun's rays are concentrated, is characterized by the fact that the material, from which the vessel consists, for electromagnetic radiation in the wave range of 0.2 - 3 Wm is permeable, and that the sun's rays absorbing means within of the vessel are provided.

Die Erfindung ist nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 die schematische Darstellung einer Einrichtung zum Konzentrieren der Sonnenstrahlen auf ein einen Wärmeträger führendes Gefäss, Fig. 2 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform des Gefässes, Fig. 3 ein Gefcss in dem nebst dem Wärmeträger ein die Strah lung absorbierender Körper angeordnet ist, im Schnitt, Fig. 4 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des Gefässes mit Doppelwand und Fig. 5 einen Querscnitt durch ein fünftes Ausführungsbeispiel des Gefässes mit ungleichen Wandstärken.The invention is exemplified below with reference to the drawings explained in more detail. 1 shows the schematic representation of a device for concentrating the sun's rays on a vessel carrying a heat transfer medium, Fig. 2 shows a cross section through another embodiment of the vessel, FIG. 3 shows a vessel in which, in addition to the heat transfer medium, a radiation absorbing body is arranged is, in section, Fig. 4 a cross section through a further embodiment of the Vessel with double wall and FIG. 5 shows a cross section through a fifth exemplary embodiment of the vessel with unequal wall thicknesses.

Die in der Fig. 1 dargestollte Einrichtung weist einen Parabol-Zylinderspiegel 1 auf, der um eine Achse 2 schwenkbar auf einem Book 3 gelagert ist, damit der Parabol-Zylinderspiegel 1 entsprochend dem Sonnenstand eingestellt werden kann. Die in den Parabol-Zylinderspiegel 1 einfallenden Sonnenstrahlen 4 werden längs der in der Fig. 1 durch einen Punkt dargestellten Brennlinie 5 konzentriert. Längs dieser Brennlinie 5 ist ein rohrförmiges Gefäss 6 so angeordnet, dass die Brennlinie 5 und die Mittellinie des Gefässes 6 zusammenfallen. Durch dieses rohrförmige Gefäss 6 wird ein flüssigen oder gasförmiges Medium, z,B.The device shown in FIG. 1 has a parabolic cylinder mirror 1, which is mounted pivotably about an axis 2 on a book 3, so that the parabolic cylinder mirror 1 can be set according to the position of the sun. The one in the parabolic cylinder mirror 1 incident sun rays 4 are along the in Fig. 1 through a point shown focal line 5 concentrated. Along this focal line 5 is a tubular one Vessel 6 arranged so that the focal line 5 and the center line of the vessel 6 coincide. Through this tubular vessel 6 is a liquid or gaseous Medium, e.g.

Wasser oder Wasserdampf, geführt. Das Gefäss 6 ist ein Teil eines nicht dargestellten Kreislaufes, welcher eine Pumpe zum Fördern des Mediums und einen Wärmeaustauscher oder eine Wärmekrafrmaschine zum Nutzbarmachen der von dem Medium aufgenommenen Wärmeenergie aufweisen kann.Water or steam. The vessel 6 is part of a circuit, not shown, which has a pump for conveying the medium and a heat exchanger or a thermal power machine to utilize the from the May have medium absorbed thermal energy.

Das rohrförmige Gefäss 6 ist aus einem Werkstoff hergestellt, welcher die Sonnenstrahlen im Wellenbereich von 0,2 - 3 µm durchlässt, so dass diese Sonnenstrahlen direkt auf das Medium, z.B. Wasser, eijiwirken können. Ein solcher Werkstoff ist beispielsweise Quarzglas. Da es insbensondere wesentlich ist, dass die mittleren Infrarotstrahlen in das Medium gelangen, kann auch Kristall- oder Hartglas als Werkstoff für das gefäss 6 verwendet werden.The tubular vessel 6 is made of a material which lets through the sun rays in the wave range of 0.2 - 3 µm, so that these sun rays can act directly on the medium, e.g. water. One such material is for example quartz glass. Since it is particularly important that the middle Infrared rays get into the medium, crystal or hard glass can also be used as material used for vessel 6 will.

Als Medium, die als Wärmeträger dienen, können alle Substanzen benützt werden, deren Absorptionsbanden innerhalb des oben genannten Wellenbereiches liegen. Im allgemeinen sind dies Substanzen die mehr als 2-atomige Moleküle besitzen, z.B. H2O, CO2 oder NH3. Mit einem derartigen lichtdurchlässigen Gefäss 6 wird erreicht, dass die Strahlungsenergie direkt in das Medium gelangt und zwar je nachdem Absorptionsspektrum des Mediums mehr oder weniger tief in dieses hinein.All substances can be used as a medium that serves as a heat transfer medium whose absorption bands lie within the above-mentioned wave range. In general, these are substances that have more than 2-atom molecules, e.g. H2O, CO2 or NH3. With such a translucent vessel 6 it is achieved that the radiation energy reaches the medium directly, depending on the absorption spectrum of the medium more or less deeply into it.

Wird beispielsweise Wasser als Medium verwendet, so kann das Wasser mit einem Farbstoff oder einem pulverisierten Fetstoff getrübt sein, um so die Absorption zu vergrössern, ohne dass dadurch die Viskosität des Gemisches Wasser-Farbstoff wesentlich beeinflusst wird Wird anstelle des Parabol-Zylinderspiegels 1 ein Parabolspiegel verwendet, so ist als Gefäss 6 eine nicht dargestellte Hohlkugel aus Quarzglas zu benützen. Diese Hohlkugel ist an eine Zuleitung zum Zuführen des Mediums und an eine Abführleitung zum Entnehmen des erwärmten Medium geschlossen.If, for example, water is used as the medium, the water can be clouded with a dye or a powdered solid, so as to improve the absorption to enlarge without thereby increasing the viscosity of the water-dye mixture is significantly influenced If a parabolic mirror is used instead of the parabolic cylindrical mirror 1 is used, a hollow sphere made of quartz glass, not shown, is closed as the vessel 6 use. This hollow sphere is connected to a supply line for supplying the medium and to a discharge line for removing the heated medium is closed.

Die Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch ein rohrförmiges Gefäss 7, das sich insbesondere für die Verwendung zusammen mit dem in der Fig. 1 dargestellten Parabol-Zylinderspiegel 1 l eignet.Fig. 2 shows the cross section through a tubular vessel 7, which is particularly suitable for use together with that shown in FIG Parabolic cylinder mirror 1 l is suitable.

Jene Seite 8 des Gefässes 7, die der direkten Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, ist abgeflacht, so dass diese direkten Somnenstrahlen ungehindert in das Medium 9 innerhalb des Gefässes 7 gelangen können. Wenn Wasser als Wärmeträger benützt wird, so wird die Absorption vorzugsweise durch Trüben des Wassers mit Farbstoff 10 erhöht. Die einzelnen Farbstoffkörperchen absorbieren die Sonnenstrahlen und werden dabei erwärmt und geben diese Wärme praktisch vollständig an das sie umgebende Wasser ab.That side 8 of the vessel 7 that is exposed to direct solar radiation is is flattened so that these direct sun rays unhindered into the medium 9 can reach within the vessel 7. When water is used as a heat transfer medium absorption is preferably made by clouding the water with dye 10 increased. The individual pigment bodies absorb the sun's rays and are heated in the process and transfer this heat almost completely to the surrounding area Water off.

Die Fig. 3 stellt eine weitere Atisführungsform eines rohrförmigen Gefässes 11 dar. Im Innern dieses Gefässes erstreckt sich ein Körper 12 mit sternförmigen Querschnitt. Dieser Körper 12 hat die Aufgabe, diejenige Strahlung, die durch das Medium nicht oder nicht genügend absorbiert wird und daher das Gefäss wieder verlassen würde, aufzufangen und die dabei aufgenommene Wärme an das ihn umspülende Medium abzugeben. In dem Gefäss 11 kann im Grenzfall auch ein völlig nicht absorbierendes Medium, wie z.B. Luft zirkulieren. Wie schon erwähnt, wird dann die Strahlwngsenergie durch den "schwarzen" Körper 12 in Wärmeenergie umgesetzt und diese auf konventionelle Weise an die Luft; abgegeben.Fig. 3 shows a further Atisführungform a tubular Vessel 11 is. Inside this vessel, a body 12 extends with a star-shaped Cross-section. This body 12 has the task of absorbing the radiation emitted by the Medium is not absorbed or not sufficiently absorbed and therefore leaves the vessel again would, and the heat absorbed in the process to the medium flowing around it submit. In the borderline case, a completely non-absorbent can in the vessel 11 Medium, such as air, circulate. As already mentioned, the radiation demand energy is then converted into thermal energy by the "black" body 12 and converted to conventional Way to the air; submitted.

Der Körper kann auch selektiv schwarz oder grau sein, je nachdem, ob noch teilweise Reflektion erwünscht wird, mit den Ziel, den Weg der Strahlung im Medium gerade um soviel zu verlängern, damit diese Strahlung auf dem verlängeften Weg innerhalb des Mediums von diesem absorbiert wird.The body can also be selectively black or gray, depending on whether partial reflection is still desired, with the aim of determining the path of the radiation to lengthen in the medium just enough for this radiation to lengthen on the Away within the medium is absorbed by it.

Die Durchlässigkeit des Werkstoffes aus den das Gefäss 11 besteht, kann absichtlich selektiv gewählt werden, so dass er z1B. langwelligere Infrarotstrahlung nicht durchlässt. Dies hat den Vorteil, dass die Abstrahlung vom Innern den Gefässes wesentlich vermindert werden kann. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn erwünscht wird, da-ss sich das Medium innerhalb des Gefässes oder der Körper 12 so stark erwärmt wird, dass es bzw. er zurückzustrahlen beginnt. Eine derartige langwellige Rückstrahlung würde erfolgen, wenn der Körper sich beispielsweise bis ca. 600° C erhitzt.The permeability of the material from which the vessel 11 is made, can deliberately be chosen selectively, so that it can e.g. longer-wave infrared radiation does not let through. This has the advantage that the radiation from the inside of the vessel can be significantly reduced. This is particularly beneficial when desired is that the medium within the vessel or the body 12 is heated so much that it begins to reflect back. Such a long wave reflection would occur if the body heated up to approx. 600 ° C, for example.

In der Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel -eines Gefässes 13 zum Führen des Mediums dargestellt. Dieses-Gefäss 13 weist eine Doppelwand, d.h. eine innere Wand 14 uud eine äussere Wand 15 auf. Die innere und äussere Wand werden durch nicht dargestellte Distanzhalter auf Abstand gehalten. Im Innenraum, der durch die Wand 14 umschlossen ist, befindet sich ein Körper 16 zum Aufnehmen der von in diesem Innenraum befindlichen Medium nicht absorbierten Strahlung und zum Abgeben der aufgenommenen Wärme an dieses Medium.4 shows a further exemplary embodiment of a vessel 13 shown for guiding the medium. This vessel 13 has a double wall, i. an inner wall 14 and an outer wall 15. The inner and outer walls become held at a distance by spacers not shown. In the interior through the wall 14 is enclosed, there is a body 16 for receiving the from in This interior located medium does not absorb radiation and to give off the recorded Warmth to this medium.

Der Zwischenraum 17 zwischen der inneren Wand 14 und der äusseren Wand 15 dient zum Führen einer Kühlströmung aus einem strahlungsdurchlässigen Medium, wie beispielsweise N2 02 oder Luft. Dadurch wird die Temperatur der äusseren Wandung 15 sehr niedrig gehalten und wirkungsvoll verhindert, dass das grössere Wärmemengen an die das Gefäss 13 umgebende Luft abgegeben wird. Die aufgewendete KUilenenergie kann im Gegenstromverfahren wieder zurückgewonnen werden, so dass gesamthaft gesehen der Verlust an die Umgeburg auf diese Weise auf ein Minimum gesenkt werden kann.The space 17 between the inner wall 14 and the outer Wall 15 is used to guide a cooling flow from a radiation-permeable medium, such as N2 02 or air. This increases the temperature of the outer wall 15 kept very low and effectively prevents the larger amounts of heat is released to the air surrounding the vessel 13. The cooling energy used can be recovered in the countercurrent process, so that seen as a whole the loss to the surrounding area can be reduced to a minimum in this way.

Da die Herstellung von genau masshaltigen Parabol-Zylinderspiegeln eine kostspielige Angelegenheit ist, wird das rohrförmige Gefäss vorzugsweise gemäss der Fig. 5 ausgebildet. Das in dieser Figur dargestellte Gefäss 18 eist ungleiche Wandstärken auf und besteht ebenfalls aus einem strahlendurchlässigen Werkstoff. Der flache Teil 19 des Gefässes 18 ist vergleichsweise zum übrigen Teil 20 des Gefässes dünnwandig und ist zum Durchlassen der direkten Strahlung bestimmt. Der dickere Teil 20 des Gefässes 18 wirkt ähnlich wie eine SammeJlinse, so dass allfällige, nicht gegen das Zentrum bzw.Because the production of parabolic cylinder mirrors with exact dimensions is an expensive proposition, the tubular vessel is preferably made according to 5 formed. The vessel 18 shown in this figure is unequal Wall thickness and also consists of a radiolucent material. The flat part 19 of the vessel 18 is compared to the remaining part 20 of the vessel thin-walled and designed to allow direct radiation to pass through. The thicker one Part 20 of the vessel 18 acts like a collecting lens, so that any not against the center or

die Brennlinie des Parabol-Zylinderspiegels gerichtete, refleXtierte Strahlen 21 zumindest in den vom Medium belegten Teil oder zum im Innern des Gefässes 18 angeordneten Körper 22 gelangen. Der grosse Vorteil des Gefässes nach der Fig. 5 ist, dass an die Qualität des Parabol-Zylinderspiegels 23 keine allzu grossen Anforderungen gestellt werden müssen, wodurch die Herstellungskosten für einen solchen wesentlich gesenkt werden können. Je mehr das Gefäss 18 ähnlich wie eine Sammellinse wirkt, um so grösser kann die Toleranz der Nachfühorrichtung für den Parabol-Zylinderspiegel sein, so dass auch die Kosten für die Herstellung einer solchen Nachführvorrichtung gesenkt werden können.the focal line of the parabolic cylinder mirror directed, reflected Rays 21 at least in the part occupied by the medium or in the interior of the vessel 18 arranged body 22 arrive. The great advantage of the vessel according to Fig. 5 is that the quality of the parabolic cylindrical mirror 23 is not too great Requirements must be made, reducing the manufacturing costs for such can be reduced significantly. The more the vessel 18 resembles a converging lens acts, the greater the tolerance of the tracking device for the parabolic cylinder mirror be, so that also the cost of producing such a tracking device can be lowered.

Der Vorteil des oben beschriebenen Verfahrens und der oben beschriebenen Einrichtung gegenüber den bisher bekannten Einrichtungen, bei denen der Wärmeträger-in einer Metallröhre geführt wird, ist, dass bei gleicher Leistungsdichte die Abstrahlungsverluste wesentlich geringer sind. In diesen Abstrahlungsverlusten sind sowohl die primärreflektierte Strahlung, weil kein optimal schwarzer Körper hergestellt werden kann-, als auch die sekundärabgestrahlte Energie, infolge, der erhöhten Aussenwandtemperatur des Gefässes miteinbezogen. Das lichtdurchlässige Gefäss besitzt ja theoretisch höchstens die gleiche Temperatur wie das Medium, kann aber sogar aussen wegen der kühlenden Umgebungsluft kleinere Temperaturen aufweisen. Im Gegensatz dazu, muss die Temperatur der bekannten Metallröhren grösser sein als jene des Mediums, damit eine Wärmeübertragung möglich ist.The advantage of the method described above and those described above Facility compared to the previously known facilities those the heat transfer medium is guided in a metal tube, is that with the same power density the radiation losses are much lower. In these radiation losses are both the primary reflected radiation, because not an optimal black body can be produced, as well as the secondary radiated energy, as a result of the increased outer wall temperature of the vessel included. The translucent Theoretically, the vessel has at most the same temperature as the medium, can but even outside have lower temperatures because of the cooling ambient air. In contrast to this, the temperature of the known metal tubes must be greater than that of the medium so that heat transfer is possible.

Die mit dem oben beschriebenen Verfahren pro Zeit- und -Flächeneinheit in das Medium übertragbare Leistungsdichte bzw. Energiemenge ist wesentlich grösser als bei den bisher bekannten Verfahren, weil die Strahlungsenergie direkt in das Medium gelangt. Dabei werden die Grenzen der Temperaturbeständigkeit des Materials aus dem das Gefäss besteht auch bei sehr grosser Konzentration der Sonnenstrahlen nicht überschritten.Those with the method described above per unit of time and area The power density or amount of energy that can be transferred into the medium is significantly greater than with the previously known methods, because the radiation energy is fed directly into the Medium arrives. Thereby the limits of the temperature resistance of the material from which the vessel is made, even when the sun's rays are very concentrated not exceeded.

Claims

PATENT CLAIMS

1. Method for heating a liquid or gaseous medium by means of solar energy, the sun rays passing through a reflector device captured and concentrated on an effective area and the medium through this Active area is passed through, characterized in that the medium in one the transparent vessel for the solar radiation is guided through the effective area, and that the energy transfer to the medium is at least largely by direct Radiation into the same takes place.

2. The method according to claim 1, characterized in that the from Medium Unabsorbed radiation by means arranged inside the vessel is absorbed and that the heat energy absorbed by the means by convection is released to the medium.

3. The method according to Ahspruch 1, characterized in that the discharge of heat absorbed by the medium through thermal conduction and secondary radiation is largely prevented.

4. Device for heating a liquid or gaseous medium by means of solar energy, with at least one reflector device (1) and a vessel for guiding a liquid or gaseous medium through that area in the through the reflector device concentrates the sun's rays, characterized in that that the material from which the vessel (6; 7; 11) is made for electromagnetic Radiation in the wave range of 0.2 - 3> im is permeable and that the sun's rays absorbing means (10; 12) are provided within the vessel, 5th device according to claim 4, characterized in that the absorbent means is a body (12; 16; 22) with star-shaped Include cross-section.

-6. Device according to claim k, characterized in that the The reflector device has an elongated active area and that the tubular vessel (6; 7; 11) extends along this active area.

7. Device according to claim 4, characterized in that the vessel (6y 7; 11) made of quartz glass

5 consists of crystal glass or hard glass.

8. Device according to claim 4, characterized in that rekennzeicb.net Medium molecules contain at least three atoms, e.g. H2O or CO2.

9. Device according to claim 6, characterized in that the the Reflector device facing wall part (20; of the tubular vessel (18) for Achieving a collecting effect of the radiation reflected by the reflector device has different thicknesses.

10. Device according to claim 6, characterized in that the absorbing Means are the medium opacifying dye bodies.

11. Device according to claim 6, characterized in that the Tubular vessel (14) for reducing heat loss from a second vessel (15) is surrounded by a material permeable to solar radiation> and between an annular space (17) between the two vessels for guiding a cooling flow is provided L e r s e i t e