DE2622023A1 - Anlage zur aufheizung eines fluessigen oder gasfoermigen waermetraegers durch sonnenenergie - Google Patents

Description

• Anlage zur Aufheizung eines flüssigen oder
• gasförmigen Wärmeträgers durch Sonnenenergie.
• Zur technischen Nutzung der Sonnenenermie wurde unter anderem vorgeschlagen, mit der durch eine Spiegelanlage gebündelten Sonnenstrahlung einen Wärmeträger (z. B.
• Wasserdampf) aufzuheizen und diesen zum Beispiel zur Erzeugung elektrischer Energie zu verwenden. Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, die Energie der gebündelten Sonnenstrahlung mit möglichst großem Wirkungsgrad in Wärmeenergie des Wärmeträgers zu überführen.
• Um bei dieser Umwandlung einen möglichst großen Wirkungsgrad zu erreichen, sind im wesentlichen zwei Bedingungen zu erfüllen: 1. größtmögliche Absorption der einfallenden Strahlung 2. niedrige Verluste durch die Wärmestrahlung des Strahlungsabsorbers.
• Bei einer bisher bekannten Einrichtung wird der Wärmeträger in einem Metallrohr geführt und die Strahlung in der Metalloberfläche absorbiert. Bei dieser Einrichtung ist der Verlust durch Wärmestrahlung gering, dafür der Verlust durch direkt reflektierte Strahlung hoch. Es wurde auch schon vorgeschlagen, die Strahlung in einem getrübten, flüssigen oder gasförmigen Wärmeträger, umhüllt von einem Quarzglas zu absorbieren (Deutsche Patentanmeldung P 2461973.6 / int. Cl. B24I-02). Dies dürfte jedoch bei einer Arbeitstemperatur von 500 bis 600 C vor allem bei einem gasförmigen Wärmeträger mit eingebrachten Schwebeteilchen zu technischen Schwierigkeiten im Kreislauf des Wärmeträgers sowie zu erhöhten Wärmestrahlungsverlusten führen.
• Zur Verringerung der Wärmestrahlungsverluste wurde vorgeschlagen, vor die Strahlungsabsorber ein leitfähiges Gitter mit einer Gitterkonstante von einigen P zu setzen, das die langwellige Wärmestrahlung reflektiert (Deutsche Patentanmeldung P 2508585.2 / int. Cl. B24I-02). Mit dieser Anordnung wird jedoch auch der langwellige Anteil der Sonnenstrahlung zurückgeworfen und erreicht den Strahlungsabsorber nicht.
• Der Zweck der vorliegenden Erfindung soll erreicht werden, indem eine hohe Absorption der Sonnenstrahlung erreicht wird, sowie die Verluste durch Wärmestrahlung des Strahlungsabsorbers niedrig gehalten werden.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die gebündelte Sonnenstrahlung in einer dicken Absorberschicht, vorzugsweise aus gefärbtem Glas oder Quarzglas, in der der Absorptionskoeffizient entlang dem Lichtweg zunimmt absorbiert wird, so daß längs des Lichtwegs in dieser Schicht die umgesetzte Energie pro Weglänge ungefähr konstant ist, und diese Absorberschicht die entstehende Wärme in geeigneter Weise an den Wärmeträger abgibt. Die langwellige Wärmestrahlung - sowohl die der einfallenden Sonnenstrahlung als auch die vom Strahlungsabsorber emittierte - wird in für diesen Wellenlängenbereich selektiven Filtern absorbiert. Diese sind in der Eintrittsfläche der Sonnenstrahlung in die Strahlungsabsorberanordnung angebracht. Der Wärmeträger umströmt beim Eintritt in die Strahlungsabsorberanordnung zunächst diese selektiven Filter. Deren Temperatur wird dadurch niedrig gehalten, die Wärmes * lung der selektiven Filter ist daher gering.
• Das Prinzip der Strahlungsabsorption wird im folgenden näher erläutert. Bei der im Sammelpunkt einer Spiegelanlage herrschenden Strahlungsdichte ist die Absorption der Strahlung z. B. in einer geschwärzten Schicht nicht möglich.
• Als günstig erscheint ein Strahlungsabsorber,in den die Strahlung eindringt und in dem unabhängig vom Ort eine konstante Wärmeleistung pro Volumen frei wird. Mit der Annahme, daß Absorptionsvermögen und Strahlungsintensität nur von der Eindringtiefe x in den Strahlungsabsorber abhängen ergibt sich aus der Voraussetzung konstanter Wärmeleistung pro Volumen der Verlauf des Absorptionsvermögens im Strahlungsabsorber zu das heißt das Absorptionsvermögen sollte vom Anfangswert A beim Eintritt der Strahlung in den Strahlungsabsorber bis zur Gesamtschichtdicke 1/A entsprechend einer Hyperbelfunktion ansteigen.
• Mit einem Strahlungsabsorber, der ungefähr die angegebene Bedingung für den Verlauf des Absorptionsvermögens erfüllt, lassen sich verschiedene Anordnungen zur Aufheizung eines Wärmeträgers durch Sonnenstrahlung verwirklichen. Dies soll an einigen Ausführungsbeispielen gezeigt werden.
• Ausführungsbeispiel 1: die Anordnung besteht aus einer Anzahl von Quarzrohren, die vom Wärmeträger durchströmt werden mit einer einige mm dicken Strahlungsabsorberschicht an der Innenwand. Das Absorptionsvermögen in dieser Schicht nimmt mit abnehmendem Radius zu.
• Ausführungsbeispiel 2: die Anordnung besteht aus vom Wärmeträger durchströmten Metallröhren, die mit einer dem Metall im Ausdehnungskoeffizienten angepaßten Strahlungsabsorberschicht überzogen sind. Das Absorptionsvermögen dieser Schicht nimmt von aussen nach innen zu.
• Ausführungsbeispiel 3: die Anordnung besteht aus einer Anzahl dünner Platten vorzugsweise aus gefärbtem Quarz, die vom Wärmeträger umströmt werden. Die einzelnen Platten bestehen aus homogenem Material, das Absorptionsvermögen der Platten nimmt in Durchstrahlungsrichtung zu.
• Durch vorzugsweise schräge Aufstellung der Platten und durch Anordnung mehrerer Plattenstapel nebeneinander durchläuft das reflektierte Licht mehrere Platten und wird zu einem großen Teil absorbiert.
• Ausführungsbeispiel 4: die gebündelte Strahlung tritt in Lichtleitstäbe ein und wird in diesen geführt. Dazu muß der Eintrittswinkel der Strahlung innerhalb eines durch das Lichtleitermaterial vorgegebenen Grenzwinkels liegen, was durch entsprechende Anordnung der Einfangspiegel erreicht wird. Im Verlauf der Lichtleitstäbe befinden sich Strahlungsabsorptionszonen, deren Absorptionsvermögen in Strahlrichtung zunimmt. Durch Querschnittsänderung der Lichtleitstäbe kann man die Geometrie der Strahlungsabsorptionszonen den Erfordernissen eines optimalen Wärmeaustauschs mit dem Wärmeträger anpassen.
• Ein Beispiel für eine vorteilhafte Ausführung: in der Eintrittsfläche ist der Querschnitt der Lichtleitstäbe groß.und die Lichtleitstäbe sind dicht gepackt. Bann verjüngen sich die einzelnen Lichtleitstäbe, die Absorptionszonen befinden sich in dem Abschnitt der Lichtleitstäbe mit geringerem Querschnitt, in diesem Teil der Anordnung befindet sich zwischen den Lichtleitstäben der Wärmeträger. Der Wärmeträger umströmt entweder direkt die Strahlungsabsorptionszonen oder wird in geeigneter Weise in Metallkanälen geführt. Eine vorteilhafte Ausführung der Führung des Wärmeträgers ist die von Wärmetausohern bekannte wabenförmige Anordnung der vom Wärmeträger durchströmten Kanäle, in deren Zellen die Lichtleitstäbe mit den strahlungsabsorbierenden Zonen eintauchen. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs können die Zellen ein gut wärmeleitendes Gas oder flüssiges Metall enthalten.
• Zur Verringerung der Verluste durch Wärmestrahlung kann sich vor der Strahlungsabsorptionszone mit breitem Spektralbereich eine selektive Strahlungsabsorptionszone für den langwelligen Spektralbereich befinden.
• Der Wärmeträger wird so geführt, daß diese-Strahlungsabsorptionszone für den langwelligen Spektralbereich vom kalten, in die Anlage einströmenden Wärmeträger auf niedriger Temperatur gehalten wird, so daß deren Strahlungsemission gering ist.

Claims (9)

1. Patentansprüche 1. Anlage zur Aufheizung eines flüssigen oder gasförmigen Wärmeträgers durch Sonnenenergie, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die vorzugsweise gebündelte Strahlung in einer dicken, wenigstens zonenweise absorbierenden festen Strahlungsabsorberschicht, vorzugsweise aus Glas oder Quarzglas absorbiert wird.
2. 2. Anlage nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Absorptionsvermögen der Strahlungsabsorberschicht in Strahlrichtung so zunimmt, daß die absorbierte Strahlungsenergie pro Weglänge der Strahlung in der strahlungsabsorbierenden Schicht annähernd konstant ist.
3. 3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t,daß sich in Lichtrichtung zunächst ein selektiver Absorber für langwellige Strahlung befindet, welchem sich ein Strahlungsabsorber für einen großen Wellenlängenbereich anschließt und der selektive Absorber für den langwelligen Strahlungsbereich durch den kalten, in die Anlage einströmenden Wärmeträger auf niedriger temperatur gehalten wird.
4. 4. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Wärmeträger in einem Kanal aus transparentem Material strömt und die Strahlungsabsorbierende Schicht sich auf der Innenwand dieses Kanals befindet.
5. 5. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Wärmeträger in einem metallischen Kanal strömt und sich die strahlungsabsorbierende Schicht auf der Aussenwand dieses Kanals befindet.
6. 6. Anlage nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Strahlung in einer Anzahl homogen eingefärbter Platten absorbiert wird, wobei das Absorptionsvermögen der Platten in Strahlrichtung zunimmt und diese Platten vom Wärmeträger umströmt werden.
7. 7. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Strahlung in Lichtleitstäben geführt wird, die aus klaren und absorbierenden Zonen bestehen, wobei durch Querschnittsänderung eine für den Wärmeaustausch günstige Geometrie der absorbierenden Zone ermöglicht wird.
8. 8. Anlage nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Lichtleitstäbe mit der strahlungsabsorbierenden Zone in einen Wärmetauscher eintauchen, in dem der Wärmeträger durch Metallkanäle strömt.
9. 9. Anlage nach Anspruch 3 und 7 oder 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der selektive Absorber für langwellige Strahlung als Zone der Lichtleitstäbe ausgebildet ist.