DE2532465C3 - Vorrichtung zur Ausnutzung der Sonnenenergie - Google Patents

Description

rohr gebildet ist, daß in dem Innenrohr eine Fördervorrichtung vorgesehen ist, die den rieselfähigen Wärmeträger von einem unten befindlichen Zwischenbehälter, in den sie hineinreicht, nach oben in den von dem inneren Rohr und dem äußeren Hohlzylinder gebildeten Ringraum fördert, daß der rieselfähige Wärmeträger während seiner Abwärtsbewegung im Ringraum die Sonnenenergie aufnimmt, dem Speicher und dem Wärmetauscher zuführt und von dort über einen Sammelbehälter und eine weitere Fördervorrichtung wieder im Kreislauf in den Zwischenbehälter gelangt

Der erfindungsgemäß eingesetzte Wärmeträger (Wärmetauschvorrichtungen, die sich als Wärmeträger eines rieselfähigen Feststoffes bedienen, sind prinzipiell aus der DE-AS 10 28 095 bekannt), kann auf hohe Temperaturen erhitzt werden und ermöglicht eine gefahrlose und billige Art einer Speicherung in beliebigen Mengen, wobei insbesondere das Arbeiten auf Umgebungsdruck durch Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmeträgers vorteilhaft ist Dieser Wärmeträger kann je nach Art der zu erzeugenden Energie in notwendigen Mengen eingesetzt werden, wobei die Energieerzeugung auch über längere Zeiträume hinweg ermöglicht wird.

Zur Steuerung der Erhitzung des Wärmeträgers sieht die Erfindung vor, daß in dem Ringraum Leit- ggf. Fördervorrichtungen für den Wärmeträger angeordnet sind. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Erhitzung des Wärmeträgers besteht der Hohlzylinder aus Stahl und er ist außen mit einer Wärmestrahlen absorbierenden Schicht, z. B. einer Graphit-Ruß-Masse beschichtet.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Reflektor auf einer um eine in Ost-West-Richtung liegende waagerechte Achse schwenkbaren Bühne um eine in der Meridianebene des Aufstellungsortes liegende Achse unter Verwendung an sich bekannter, senkrecht zur Meridianebene liegender Zahnbögen, schwenkbar gelagert, wobei die Zahnbögen mit der Bühne seitlich des Reflektors liegend verbunden sind und an dem Reflektor angetriebene, in die Zahnbögen eingreifende Zahnräder gelagert sind.

Die Erfindung erstreckt sich ferner darauf, daß unterhalb des Strahlensammlers ein mit dem Ringraum in Verbindung stehender, durch einen Isoliermantel wärmeisolierter, zur Speicherung des erhitzten Wärmeträgers an sich bekannter Speicher vorgesehen ist, der unten über eine durch einen Schieber veränderbare Entnahmeöffnung mit einem Wärmetauscher verbunden ist. In diesem Wärmetauscher können gemäß der Erfindung ein Kessel, eine Rohrschlange o. dgl. zur Aufnahme einer Flüssigkeit als Heizmittel oder zur Dampferzeugung angeordnet sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ^-an beliebigen Orten aufgestellt werden, wobei es nicht nur möglich ist, nicht bewirtschaftbare Flächen, z. B. im Hochgebirge, in Karstgebieten, Wüsten, Sümpfen, Wasserflächen o. dgl. zur Aufstellung zu verwenden, sondern es ist darüber hinaus auch eine Aufstellung kleinerer Anlagen auf Wohnhäusern oder größerer Anlagen auf Industriegeländen möglich. Die Energiespeicherung ist dabei ohne Gefährdung der Umwelt in einfacher und billiger V.'..oc möglich, insbesondere durch Anordnung des Behälters zur Speicherung des Wärmeträgers ganz oder zum Teil in Sandgruben, Stollen, Mulden, Kellern o. dgl. versenkt. Mit einem Kubikmeter des aus graphitiertem Sand oder Schamotte bestehenden Wärmeträgers sind 500 000 bis 1 500 000 WE speicherbar und diese Wärmeenergie ist mit geringsten Verlusten weiterverwendbar. Es ergibt sich damit die Möglichkeit einer Ausnützung der gewonnenen Wärmeenergie mit einer wesentlich höheren Leistung als bei Verwendung von mineralischen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen in bisher üblicher Weise. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß bei der Energieerzeugung gemäß der Erfindung keine schädlichen Gase, kein Ruß und keine Abfälle, wie

ίο Schlacke o. dgl. anfallen, welche die Umwelt belästigen oder schwierig zu beseitigen sind. Der erfindungsgemäß vorgesehene Wärmeträger kann dabei einfach und billig beschafft werden und er ist praktisch keiner Abnützung und keinem Verbrauch unterworfen, so daß er im Kreislauf ohne Verluste immer wieder verwendet werden kann. Schließlich ergibt sich auch der Vorteil, da3 bei dem Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung keine Lärmentwicklung eintritt und die Vorrichtung daher auch in dieser Richtung umweltfreundlich ist Die Bemessung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dabei den Erfordernissen entsprechend gewählt werden und es ist auch möglich, mehrere Anlagen zu Gruppen zusammenzufassen und die Speicherkapazität damit zu erhöhen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert, die eine beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung schemalisch veranschaulicht Es zeigt

F i g. 1 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung teilweise im Schnitt und

F i g. 2 eine Einzelheit im Schnitt senkrecht zu F i g. 1 gesehen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Rahmengestell 1, auf dem ein dem Sonnenlauf entsprechend verschwenkbarer, nach Art eines Hohlkegels ausgebildeter Reflektor 2 angeordnet ist. Der Öffnungswinkel dieses Reflektors beträgt dabei etwa 85°. Das in den Reflektor einfallende Sonnenlicht wird in einer Brennachse, die der Achse des Hohlkegels entspricht, gebündelt und in dieser Brennachse ist ein Strahlensammler 35 als ein Hohlzylinder 3 aus Stahl angeordnet, der an seiner Außenseite mit einer Graphit-Ruß-Masse dünn beschichtet und am oberen Ende abgeschlossen ist. Der obere Rand des Reflektors 2 ist durch eine Strebenverspannung 29 mechanisch versteift und gegen Verschmutzung durch eine lichtdurchlässige Abdeckung gesichert. In dem Hohlzylinder 3 ist konzentrisch ein Innenrohr 4 angeordnet, in welchem eine Fördervorrichtung 5 zur Hochführung eines Wärmeträgers angeordnet ist. Dieser Wärmeträger besteht aus einem rieselfähigen Material, insbesondere aus Sand oder Schamotte mit einer Korngröße von 1—2 mm, dem Graphit als Gleitmittel zugesetzt ist. Durch den Zusatz von Graphit wird ein Umlauf des Wärmeträgers unter Verminderung dei Reibung ermöglicht. Durch die Fördervorrichtung 5 wird der Wärmeträger an das obere Ende des Innenrohres 4 gebracht und er rieselt in dem Ringraum 6, der zwischen dem Hohlzylinder 3 und dem Innenrohr 4 gebildet ist, nach unten und wird dabei erhitzt. Die Abwärtsbewegung des Wärmeträgers kann dabei durch Leitvorrichtungen, die in dem Ringraum 6 angeordnet sind, gebremst, ggf. durch Fördervorrichtungen auch beschleunigt werden. Der erhitzte Wärmeträger gelangt aus dem Ringraum 6 durch eine Führung 7 in einen Speicher 8, der unten durch einen Schieber 9 verschlossen ist, durch dessen Betätigung eine gewünschte Menge des Wärmeträgers entnommen

werden kann. Der Speicher 8 ist außen durch einen Isoliermantel 27 verkleidet und durch eine Isolierung 28 gegen Wärmeverluste geschützt und er kann somit zur Speicherung des erhitzten Wärmeträgers verwendet werden.

Unterhalb des Speichers 8 ist ein Wärmetauscher 10 angeordnet, in den der Wärmeträger durch Betätigung des Schiebers 9 in einer gewünschten bzw. erforderlichen Menge zugeführt werden kann. Der Wärmetauscher 10 kann dabei z. B. zum Brennen von Kalk oder zur Zementerzeugung unmittelbar verwendet werden. Es ist aber auch möglich, in den Wärmetauscher 10 eine aus Stahl hergestellte Rohrschlange 11 und/oder einen Kessel 12 anzuordnen, die eine Flüssigkeit aufnehmen. Der über die Rohrschlange 11 und/oder den Kessel 12 rieseinde Wärmeträger erhitzt damit eine Flüssigkeit, die unmittelbar als Heizmittel verwendet werden kann oder bei einer höheren Erhitzung in Dampf verwandelt werden kann. Der Grad der Erhitzung kann dabei durch die Menge des durch den Schieber 9 zugeführten Wärmeträgers geregelt werden, wobei auch die Erzeugung hochgespannten Dampfes möglich ist. Wie auf der Zeichnung dargestellt, kann der Dampf durch eine Rohrleitung 13 einer Turbine 14 zugeführt werden, die zur Stromerzeugung mit einem Generator gekuppelt ist. Dabei kann es zweckmäßig sein, die gewonnene elektrische Energie in Batterien zu speichern. Aus der Turbine 14 wird der Dampf durch ein Rücklaufrohr 15 entnommen und er kann z. B. zum Betrieb von Zentralheizungen oder zur Erhitzung von Wasser weiterverwendet werden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist an das Rücklaufrohr 15 ein Kondensator 16 angeschlossen, der einen Wassermantel 17 aufweist und somit zur Warmwassererzeugung verwendet werden kann. Das im Kondensator anfallende Kondenswasser weist z. B. eine Temperatur von 85—95°C auf und kann mittels eines Injektors 18 zur neuerlichen Verdampfung in die Heizkammer bzw. die Rohrschlange 11 oder den Kessel 12 eingeführt werden. Damit ergibt sich ein Kreislauf für die in der Rohrschlange 11 bzw. dem Kessel 12 vorhandene zu Dampf erhitzte Flüssigkeit. Um höhere Temperaturen zu erreichen, kann dabei der Graphitanteil des Wärmeträgers oder der Schamotteanteil erhöht werden, wobei Temperaturen von 1500—2000°C erreichbar sind.

Der Wärmetauscher 10 ist gegen Wärmeverluste nach außen hin isoliert. Der Wärmeträger wird aus dem Wärmetauscher 10 durch einen Schieber 34 gesteuert und nach Abgabe der Wärmeenergie in einen Sammelbehälter 19 abgeführt, der zweckmäßig im Boden versenkt ist. Aus diesem Sammelbehälter 19 wird der Wärmeträger durch eine Fördervorrichtung 22 wieder nach oben gebracht und in einen Zwischenbehälter 20 zugeführt, der mit dem Reflektor 2 verbunden ist. In diesen Zwischenbehälter 20 reicht die Fördervorrichtung 5 zur Hochförderung des Wärmeträgers in dem Innenrohr 4 hinein. Der Wärmeträger wird daher im Kreislauf durch die Vorrichtung hindurehgeführt. Durch Speicherung des Wärmeträgers ist ein Betrieb der Vorrichtung auch dann möglich, wenn kein Sonnenlicht vorhanden ist, wobei die Speicherung auch nicht nur über Nacht, sondern auch über längere Zeiträume möglich ist. Damit gestattet die erfindungsgemäße Vorrichtung einen kontinuierlichen Betrieb zur Energieerzeugung.

Zur Ausrichtung des Reflektors 2 gegen die Sonne ist die Bühne 30 mittels Scharnieren od. dgl. 31 um eine Achse 32, die in Ost-West-Richtung verläuft und waagerecht liegt, verschwenkbar. Damit ist eine Ausrichtung des Reflektors 2 entsprechend dem Sonnenstand möglich. Zur Verschwenkung des Reflektors 2 entsprechend der Bewegung der Sonne sind mit der Bühne 30 zwei Zahnbögen 24 verbunden, die seitlich des Reflektors 2 angeordnet sind. In jeden dieser Zahnbögen greift ein Zahnrad 25 ein, das durch ein Getriebe in Umdrehung versetzt und mit dem Reflektor 2 verbunden ist. Der eine Zahnbogen 24 mit dem in diesen eingreifenden Zahnrad dient dabei zur Verschwenkung des Reflektors von 6 Uhr—18 Uhr und der andere Zahnbogen zur Rückverschwenkung von 18 Uhr—6 Uhr morgens. Die beiden Zahnbögen 24 sind dabei um eine Achse 33 gekrümmt, die in der Meridianebene des Aufstellungsortes liegt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   J. Vorrichtung zur Ausnützung der Sonnenenergie, die durch ein Getriebe gegen die Sonne hin einstellbar ist, mit einem das Sonnenlicht linienförmig bündelnden kegelförmigen Reflektor und mit einem von einem im Kreislauf geführten Wärmeträger durchströmten Strahlensammler, mit einer Einrichtung zur Speicherung der aufgenommenen Sonnenenergie und mit einem Wärmetauscher zur Abgabe dieser Energie, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger aus einem rieselfähigen Feststoff mit einer Korngröße von 1 bis 2 mm besteht, dem Graphit als Gleitmittel zugesetzt ist, daß der Strahlensammler (35) von einem äußeren oben geschlossenen Hohlzylinder (3) und einem oben und unten offenen zum Hohlzylinder (3) konzentrisch angeordneten Innenrohr (4) gebildet ist, das in dem Innenrohr (4) eine Fördervorrichtung (5) vorgesehen ist, die den rieselfähigen Wärmeträger von einem unten befindlichen Zwischenbehälter (20), in den sie hineinreicht, nach oben in den von dem inneren Rohr (4) und dem äußeren Hohlzylinder (3) gebildeten Ringraum (6) fördert, daß der rieselfähige Wärmeträger während seiner Abwärtsbewegung im Ringraum (6) die Sonnenenergie aufnimmt, dem Speicher (8) und dem Wärmetauscher (10) zuführt und von dort über einen Sammelbehälter (19) und eine weitere Fördervorrichtung (22) wieder im Kreislauf in den Zwischenbehälter (20) gelangt.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ringraum (6) Leit- ggf. Fördervorrichtungen für den Wärmeträger angeordnet sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (3) aus Stahl besteht und außen mit einer Wärmestrahlen absorbierenden Schicht, z. B. einer Graphit-Ruß-Masse, beschichtet ist.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (2) auf einer um eine in Ost-West-Richtung liegende v/aagerechte Achse (32) schwenkbaren Bühne (30) um eine in der Meridianebene des Aufstellungsortes liegende Achse (33) unter Verwendung an sich bekannter, senkrecht zur Meridianebene liegender Zahnbögen (24), schwenkbar gelagert ist, wobei die Zahnbögen (24) mit der Bühne (30) seitlich des Reflektors (2) liegend verbunden sind und an dem Reflektor (2) angetriebene, in die Zahnbögen (24) eingreifende Zahnräder (25) gelagert sind.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Strahlensammlers (35) ein mit dem Ringraum (6) in Verbindung stehender, durch einen Isoliermantel (27) wärmeisolierter, zur Speicherung des erhitzten Wärmeträgers an sich bekannten Speicher (8) vorgesehen ist, der unten über eine durch einen Schieber (9) veränderbare Entnahmeöffnung mit einem Wärmetauscher (10) verbunden ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Wärmetauscher (10) ein Kessel (12), eine Rohrschlange (11) od. dgl. zur Aufnahme einer Flüssigkeit als Heizmittel oder zur Dampferzeugung angeordnet ist.

   Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zur Ausnützung der Sonnenenergie, die durch ein Getriebe gegen die Sonne hin einstellbar ist, mit einem das Sonnenlicht linienförmig bündelnden kegelförmigen Reflektor und mit einem von einem im Kreislauf geführten Wärmeträger durchströmten Strahlensammler, mit einer Einrichtung zur Speicherung der aufgenommenen Sonnenenergie und mit einem Wärmetauscher zur Abgabe dieser Energie.

   Bei einer bekannten Vorrichtung (US-PS 7 61 596) wird ein Fluid, wie beispielsweise Luft oder Wasser, mit Hilfe einer Pumpe in einem Zwangsdurchlauf durch einen kegelförmigen Reflektor, insbesondere einen Strahlensammler in dessen Brennlinie und den Randzonen geführt, wobei dem Fluid ggf. über einen Wärmetauscher die Wärme entnommen wird. Bei einer weiterhin bekannten Vorrichtung (US-PS 21 82 222) wird das Sonnenlicht durch einen Hohlspiegel in einer Linie parallel zur Erdoberfläche gebündelt, wobei in der Brennlinie ein Rohr zur Hindurchführung eines pumpfähigen Fluids angeordnet ist, welches nach Abgabe seiner Wärmeenergie und nach Speicherung derselben, im Kreislauf wieder dem in der Brennlinie angeordneten Rohr zugeführt wird. Diese bekannten Sonnenkollektoren sind mittels eines Getriebes oder eines entsprechenden Antriebes gegen die Sonne hin einstellbar, um jeweils in optimaler Ausrichtung in bezug auf das einfallende Sonnenlicht ausgerichtet zu sein.

   Die bekannten Sonnenenergieanlagen können in der Regel nur dann betrieben werden, wenn eine direkte Sonneneinstrahlung vorhanden ist, wobei die Energie nicht oder nur bedingt speicherbar und auch nicht im gewünschten Maße weiterleitbar ist. Nachteilig bei den bekannten Sonnenenergieanlagen ist insbesondere deren großer apparativer Aufwand, der hohe Anschaffungskosten und eine Bedienung durch besonders geschultes Personal bedingt. Auch ist es bei bekannten Sonnenenergieanlagen schwierig, ein Regulieren der gewonnenen Energie zu ermöglichen, so daß eine nutzbringende Verwertung erschwert ist. Diese Nachteile werden insbesondere bei den bekannten Vorrichtungen dadurch bedingt, daß die verwendeten Wärmeträger pumpfähige Fluide sein müssen, da die Zwangsdurchlaufe durch die Vorrichtung ansonsten nicht aufrecht zu erhalten wären.

   Die Pumpfähigkeit der eingesetzten Wärmeträger hat zudem den großen Nachteil, daß das gesamte System unter einem vergleichsweise hohen Druck steht, so daß bei auftretenden Undichtheiten nicht nur der Gesamtdurchlauf unterbrochen, sondern auch die Umgebung einer nicht unerheblichen Gefahr durch Ausströmen der oft sehr heißen, unter Druck stehenden Fluide, ausgesetzt ist.

   Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, bei der mit einfachen Mitteln eine sichere und gefahrlose Ausnutzung der Sonnenenergie und deren Umwandlung in Wärme erfolgt, wobei gleichzeitig die Möglichkeit einer Wärmespeicherung und gezielter Wärmeabgabe erreichbar ist.

   Bei einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Wärmeträger aus einem rieselfähigen Feststoff mit einer Korngröße von 1 bis 2 mm besteht, dem Graphit als Gleitmittel zugesetzt ist, daß der Strahlensammler von einem äußeren oben geschlossenen Hohlzylinder und einem oben und unten offenen zum Hohlzylinder konzentrisch angeordneten Innen-