DE2629641B2 - Vorrichtung zur Umwandlung von Lichtenergie in Wärmeenergie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Umwandlung von Lichtenergie in Wärmeenergie.

Die Gewinnung von Wärmeenergie aus der Sonnenstrahlung wird bereits in verschiedener Weise praktisch durchgeführt. Es werden dabei zwei verschiedene Prinzipien angewandt:

1. Flächenhafte Kollektoren ohne Konzentration, die auch für diffuses Licht geeignet sind.

2. Lichtkonzentratoren, die mit Hilfe von Spiegeln oder Linsen das Sonnenlicht auf eine kleine Fläche konzentrieren.

Kollektoren der ersten Art haben den Nachteil, daß sie wegen der geringen Energiedichte der einfallenden Strahlung nur relativ niedrige Temperaturen erzeugen. Auch bei sehr starker Sonneneinstrahlung ist die so erreichte Temperatur meist unter 100° C. Kollektoren der zweiten Art erreichen durch Konzentration des Sonnenlichts wesentlich höhere Temperaturen, arbeiten aber nur bei klarem Himmel und erfordern eine !aufwendige Nachführung, um immer auf die Sonne ausgerichtet zu sein.

Aufgabe der Erfindung ist es, mittels einer einfachen Vorrichtung die Energiedichte der einfallenden Strahlung zu erhöhen, um eine höhere Temperatur des Wärmetransportmittels zu erzeugen, sowie dabei auch diffuses Licht zu konzentrieren.

Die Erfindung ist durch die in Anspruch 1 angegebene Vorrichtung gekennzeichnet. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen -" angegeben.

Der größte Vorteil bei Anwendung der Erfindung

ergibt sich aus dem Konzentrationsgrad von etwa

50-100. Auch sind die Wärmeisolationsprobleme der

bekannten Sonnenkollektoren bei der Erfindung

leicht und billig zu lösen.

Die Beschreibung der Erfindung erfolgt anhand der Zeichnungen folgenden Inhalts:

Fig. 1 Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Lichtkonzeiaration in Verbindung mit einem Absorber.

Fig. 2 Beispiel für eine günstige geometrische Gestaltung eines Lichtkonzentrator/Absorbersystems.

Fig. 3 Zweischichtanordnung einer Lichtkonzentrator/Absorbervorrichtung im Querschnitt.
!5 Fig. 4 Optische Ankopplung der Lichtkonzentratoren an den Absorber über Glaszwischenschichten zur Vermeidung der thermischen Belastung der Fluoreszenzschichten.

Die hier vorgeschlagene Lösung erlaubt eine Kom-4() bination der Vorteile der beiden Prinzipien ohne deren Nachteile. Es wird ein Lichtkonzentrator verwendet, der auf einer fluoreszierenden Schicht beruht. Das Sonnenlicht wird in einer an sich transparenten Schicht aufgefangen, die Fluoreszenzzentren enthält. Die Fluoreszenzzentren absorbieren die Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich, wandeln sie in längerwellige Strahlung um und reemittieren sie. Da die Strahlung nach allen Richtungen reemittiert wird, bleibt ein sehr großer Teil dieser Strahlung aufgrund der Totalreflexion in der Schicht und wird in der Schichtebene fortgeleitet. Wenn der Fluoreszenzfarbstoff so ausgewählt ist, daß Absorptions- und Emissionsbande möglichst geringe Überlappung haben, dann ist die Absorptionslänge des reemittierten Lichts sehr groß, d.h. große Konzentratorflächen sind möglich. Der Konzentrator kann aus Kunststoff oder Glas bestehen, in dem die Fluoreszenzmoleküle gelöst sind, oder auch aus einer flüssigen Lösung, die zwischen zwei transparenten Platten enthalten ist.
In Fig. 1 ist gezeigt, wie ein Lichtstrahl 1 auf ein Fluoreszenzmolekül des Konzentrator 2 trifft, nach der Absorption wellenlängenverschoben emittiert wird und durch Totalreflexion an den Rand des Konzentrators gelangt. Dort trifft er, vorzugsweise unter Zwischenschaltung einer optischen Kontaktsubstanz 3 (wie z. B. hochviskose Silikonöle) auf einen Absorber 4, der von einem flüssigen Wärmetrans-Dortmittel 5 durchflossen wird.

Optimieren läßt sich ein solcher Konzentrator z. B. durch die Geometrie der Konzentratoren 2, wo die Form von gleichschenkligen Dreiecken die kürzesten Lichtwege und geringste Zahl der Reflexionen liefert.

Fig. 2 zeigt eine solche Ausführung, wobei die Konzentratoren 2 an den Stirnflächen 6 verspiegelt sind und wo das Licht auf die Absorber 4 konzentriert wird, in denen die nicht dargestellten Wärmetransportmittel 5 fließen.

Es erweist sich auch als günstig, wenn man das Licht in mehr als einer Konzentratorplatte absorbiert, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Konzentratoren 2a und Ib selektieren je einen Teil des einfallenden Lichts und führen es zum Absorber 4. Ein Unterschied gegen die photovoltaische Anwendung bildet die Spektralverteilung der Emissionswellenlängen. Da die Wellenlänge nach oben nicht durch die Absorptionskante eines Halbleitermaterials begrenzt ist, kann man auch den langwelligen Teil des Sonnenspektrums mitverwerten. Ein weiterer Unterschied ist die Temperatur des Absorbers. Da auf den mit steigender Temperatur sinkenden Wirkungsgrad von Solarzellen hier keine Rücksicht genommen werden muß, kann der Absorber bei wesentlich höherer Temperatur und daher effizienter betrieben werden.

Es sollen nun noch weitere Vorteile gegenüber den zu Beginn beschriebenen konventionellen Kollektoren beschrieben werden.

1. Höhere Konzentration. Selbst bei Spiegelkollektoren sind mit vertretbarem Aufwand nur Konzentrationsgrade bis zu 10 möglich, während mit Fluoreszenzschichten Konzentrationsgrade zwischen 50 und 100 keine Schwierigkeiten machen. Damit dürfte ein effizienter Betrieb von Wärmekraftmaschinen und Klimaanlagen möglich sein. Bei hohen Absorbertemperaturen muß verhindert werden, daß die Fluoreszenzmoleküle und ihr Lösungsmedium zu nahe an den Absorber kommen. Das kann nach einer Anordnung wie in Fig. 4 verhindert werden: Der Absorber 4 ist mit einer Wärmeisolation 7 umgeben.Die Fluoreszenzzentren sind in eine flüssige oder feste transparente Schicht 8 eingelagert, die von Glasschichten 9 umgeben ist. Wenn Lösungsmedium und Glas von etwa gleichem Brechungsindex sind, dann wird das Licht auch im Glas geführt. Damit wird eine Glaszwischenschicht zwischen Fluoreszenzmedium und Absorber möglich.

2. Separation von Kollektor und Absorber. In her

kömmlichen Kollektoren ist der Kollektor zugleich Absorber, wie beim Flachkollektor oder er muß zumindest die Strahlung über seine ganze Oberfläche absorbieren, wie beim Spiegelkollekior. Dadurch ergeben si~h Wärmeisolationsprobleme. Die Lösung dieser Probleme ist möglich aber aufwendig, z. B. durch Vakuumeinbau der Absorber sowie durch selektiv absorbierende Schichten auf Abdeckgläsern. Beim Fluoreszenzkollektor gelangt das Licht in kleinflächige Absorber an den Stirnflächen der Kollektoren, wobei die Absorber selbst nicht zum direkten Strahlungsempfang benützt werden müssen. Daher können die Absorber gut wärmeisoliert werden (Fig. 4) und damit Wärmeverluste reduziert werden.

3. Geringe Wärmeträgheit. Bei rasch wechselnden Bewölkungsverhältnissen, wie sie in Mitteleuropa häufig auftreten, spielt die Wärmeträgheit des Systems Absorber-Kollektor eine große Rolle. Bei Flachkollektoren ist ein Röhrensystem, das Wasser enthält, der Sonne ausgesetzt. Die im Kollektor enthaltene Wassermenge sollte möglichst klein sein, da dadurch die Aufheizzeiten sinken und so der zeitlich gemittelte Wirkungsgrad ansteigt. Der Fluoreszenzkollektor hingegen erwärmt sich selbst nur unwesentlich, während der Absorber eine relativ zur Gesamtfläche geringe Wärmekapazität enthält. Wegen der geringen Wärmeträgheit des Systems muß ein sehr rasch reagierendes Pumpensystem den Kühlmittelfluß durch den Absorber den Einstrahlungsverhältnissen anpassen. Die Steuerung geschieht am besten durch eine Solarzelle oder Photozelle, die die einfallende Strahlung abtastet.

Als weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird noch auf die Möglichkeit hingewiesen, Lichtkonzentratoren der beschriebenen Art zusätzlich zu kombinieren mit Solarzellen für die höherenergetischen Anteile der Fluoreszenzstrahlung zur Gewinnung elektrischer Energie.

Als Wärmetransportmittel kann z. B. Wasser unter Hochdruck oder andere höher siedende Flüssigkeiten, z. B. Öl, dienen.

Als Absorber kann jede für die Fluoreszenz schwarze Oberfläche mit guter Wärmeübertragung verwendet werden, z. B. schwarz gestrichene Metallrohre.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Umwandlung von Lichtenergie in Wärmeenergie, dadurch gekennzeichnet, daß ein Licht-Konzentrator (2), der aus einer transparenten festen oder flüssigen Schicht besteht, deren Brechungsindex größer als der des umgebenden Mediums ist und die Fluoreszenzzentren enthält, sowie ein Licht-Absorber (4) zur Absorption des aus dem Lichtkcnzentrator austretenden Lichtes sowie Wärmetransportmittel (5) vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Licht-Konzentratoren (2a, 2b) übereinander geschichtet verwendet werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Emissions- und Absorptionsspektren der Fluoreszenzzentren so aufeinander abgestimmt sind, daß ein möglichst großer Teil des einfallenden Spektrums absorbiert und dem Licht-Absorber (4) zugeführt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht-Absorber (4) bei Temperaturen über 100° C betrieben wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die fluoreszierende Schicht (8) durch eine Glaszwischenschicht (9) mit einem an die fluoreszierende Schicht (8) angepaßten Brechungsindex vom Absorber getrennt ist, wobei die Dicke der Glaszwischenschicht so bemessen ist, daß die Temperatur der fluoreszierenden Schicht unter 40° C bleibt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht-Konzentrator (2) an seinen Stirnflächen (6) verspiegelt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußgeschwindigkeit des Wärmetransportmittels (5) im Absorber durch eine von der einfallenden Strahlung getroffene Solarzelle oder Photozelle gesteuert wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren Lichtauskopplung aus dem Licht-Konzentrator (2) eine optische Kontaktsubstanz (3), z. B. ein Silikonöl, vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung mehrerer Licht-Konzentratoren (2a, 2b) der Licht-Konzentrator, dessen Fluoreszenzstrahlung bei kürzeren Wellenlängen liegt, über die Kontaktsubstanz (3) mit einer Solarzelle verbunden ist.