DE2633030A1 - Strahlungsenergiesammler - Google Patents

Description

United States Energy Research And Development Administration, Washington, D.C. 20545, U.S.A.

Strahlungsenergiesammler

Die Erfindung bezieht sich auf die Verminderung des Wärmeverlustes vom Energieabsorber eines Sonnenstrahlen-Kollektors»

Zylindrische Strahlungsenergie-Kollektoren sind trogförmige nicht abbildende Kollektoren, welche die Strahlungsenergie konzentrieren. Derartige Kollektoren sind insbesondere in der DT-OS 25 33 530 sowie der Zeitschrift "Solar Energy", Band 16, Nr. 2, Seiten 89-95 (1974) beschrieben.

Es wurde beobachtet, daß solche Kollektoren beträchtliche natürliche Konvektionsverluste zeigen. Dies ergibt sich aus der Anordnung des Energieabsorbers an der Austrittsöffnung. Wenn Strahlungsenergie, beispielsweise von der Sonne, am Absorber konzentriert wird, so heizt sich dieser auf. Da die beheizte Oberfläche des Absorbers nach oben zur Eintrittsöffnung hinweist, können sich ungehinderte Konvektionsströme entwickeln, welche gestatten, daß Wärme von der beheizten Oberfläche des Absorbers entweicht, wodurch die Kollektorleistungsfähigkeit vermindert wird.

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Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, den Wirkungsgrad von zylindrischen Strahlungsenergie-Kollektoren zu verbessern. Ferner beabsichtigt die Erfindung, die Konvektionswärmeverluste in zylindrischen Strahlungsenergiesammlern zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird der Sammlungswirkungsgrad eines zylindrischen Strahlungsenergie-Kollektors dadurch verbessert, daß man die Konvektionswärmeverluste reduziert. Erfindungsgemäß ist ein gekrümmter Wandabschnitt derart angeordnet, daß er die aus der Austrittsöffnung des Kollektors austretende Strahlungsenergie aufnimmt und die empfangene Energie auf den Energieabsorber leitet. Der gekrümmte Abschnitt ist aus einem kreisförmigen Bogen derart geformt, daß die reflektierte Energie weder konzentriert noch verteilt wird, wenn sie auf die Oberfläche des Absorbers durch Reflexion vom gekrümmten Abschnitt auftrifft. Die gekrümmte Wand ist bestrebt, die aus der Austrittsöffnung austretende Energie von der Austrittsöffnung weg zu lenken, was gestattet, daß man die Oberfläche des Absorbers,auf den die Energie auftrifft, derart anordnet, daß er nach unten weist und gegenüber der Austrittsöffnung versetzt ist, wodurch Konvektionswärmeverluste verhindert werden. Ferner kann die Isolation des Absorbers dadurch erreicht werden, daß man parallele geradlinige Seitenwände verwendet, um die von der Austrittsöffnung reflektierte Energie zum Absorber zu führen.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 den Querschnitt eines zylindrischen Kollektors mit einem kreisförmigen Wandabschnitt, um aus der Austrittsöffnung austretende Energie auf einen versetzten Energieabsorber zu reflektieren;

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Fig» 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung von geradlinigen Wandabschnitten zusätzlich zum kreisförmigen Abschnitt, um den Energieabsorber weiter zu isolieren;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung eines Absorbers von kreisförmigem Querschnitt und mit einem aufgetrennten Reflektor, um das Kippen des Kollektors zu gestatten;

Fig. 4 das trogförmige Gebilde der Erfindung.

Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen Querschnitte von Einrichtungen zur Verbesserung des Wirkungsgrads von zylindrischen Strahlungsenergiesammlern oder -Kollektoren. Ein zylindrischer Kollektor ist eine trogartige Vorrichtung, deren Aufbau oder Gebilde derart ausgeformt ist, daß man die in den Fig. 1,2 und 3 gezeigten Querschnitte längs einer Achse senkrecht zur Querschnittsebene längserstreckt, um ein trogförmiges Gebilde zu formen, wie dies unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben wird. Die Funktion des Kollektors besteht darin, innerhalb eines gegebenen Winkels auf die Eintrittsöffnung 10 des Kollektors 11 auftreffende Strahlungsenergie zu konzentrieren, und zwar durch die Austrittsöffnung 12 hinaus. Jeder Kollektor 11 weist entgegengesetzt angeordnete Seitenwände 14 auf, welche auf die Eintrittsöffnung 10 innerhalb eines gegebenen Winkels auftreffende Strahlungsenergie zur Austrittsöffnung 12 hinausleiten. Die tatsächliche Erzeugung der Formen der Seitenwände 14 kann gemäß dem Verfahren erfolgen, wie dies in den bereits genannten Literaturstellen angegeben ist oder die Erzeugung kann durch irgendein anderes Verfahren erfolgen, um Seitenwandformen in einem zylindrischen Kollektor zu entwickeln. In der Praxis ist die optische Achse des Kollektors 11 zu einer Strahlungsenergiequelle, wie beispielsweise der Sonne, hin gerichtet, d.h. die Bezugsachse 16 weist zur Sonne hin, wobei auf jeder Seite derselben symmetrisch oder asymmetrisch Wände 14 angeordnet sind. Bei bekannten Kollektoren ist ein Energieabsorber an der Austrittsöffnung 12 angeordnet. Der Absorber erwärmt sich, wenn auf seine Oberfläche Energie auftrifft und es

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tritt dabei ein Wärmeverlust vom Absorber durch Konvektion von der erhitzten Oberfläche des Absorbers nach aussen durch die Austrittsöffnung 10 auf. Die beschriebene Vorrichtung sieht Mittel vor, um diesen Konvektionswärmeverlust zu reduzieren.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Austrittsöffnung 12 des Kollektors 11 ist innerhalb der Bezugsebene 18 senkrecht zum querverlaufenden Querschnitt des Kollektors 11 angeordnet. Wenn man mit einer hochliegenden Energiequelle, wie beispielsweise der Sonne, zu tun hat, so bildet die Ebene 18 einen Winkel ß gegenüber der Horizontaloberfläche 20. Die Horizontaloberfläche 20 verläuft senkrecht zur Richtung der Schwerkraft und im allgemeinen parallel zur Erdoberfläche. Der Winkel ß liegt im Bereich von 0 bis 90 , abhängig von der Anordnung und Konstruktion des Kollektors 11. Aus der Austrittsöffnung 12 austretende Strahlungsenergie wird durch eine gekrümmte reflektierende Wand 22 umgeleitet. Die gekrümmte Wand 22 ist in der Form eines Kreisbogens ausgebildet, dessen Mitte sich am einen oder anderen Ende der Austrittsöffnung befindet, d.h. bei Fig. 1 befindet sich die Mitte am Ende 24 und die Wand erstreckt sich vom Ende 26 aus. Die Austrittsöffnung 12 erstreckt sich längs eines Radius der Wand 22 und ein Energieabsorber 28 ist längs des anderen Radius auf der entgegengesetzten Seite der Ebene 18 gegenüber Seitenwänden 14 angeordnet. Die besten Ergebnisse werden mit einem Energieabsorber 28 erzielt, der den gesamten Radius von Ende 24 zu Wand 22 bedeckt, d.h. die gleiche Breite wie die Austrittsöffnung 12 aufweist. Der Energieabsorber 28 kann beispielsweise eine fotoelektrische Zelle, ein Strömungsmittel enthaltendes Rohr oder irgendeine andere Art von Energieempfänger sein, der auf Strahlungsenergie anspricht. Der in Fig. 1 gezeigte Absorber 28 hat ebene Gestalt, wie dies bei einer Fotozelle der Fall sein würde.

Die Wand 22 ist derart kreisförmig ausgebildet, daß die gesamte aus der Austrittsöffnung 12 austretende Strahlungsenergie zum Absorber 28 geleitet wird, und zwar ohne weitere Konzentration oder Verteilung infolge der Reflexion durch Wand 22. Demgemäß

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wird der Konzentrationspegel des Kollektors 11 durch die Wand 22 nicht verändert, mit der Ausnahme möglicher Verluste infolge der Absorption von Energie durch Wand 12.

Der Winkel zwischen Austrittsöffnung 12 und Absorber 28 ist durch 0₁ gegeben. Mit 0₁> O ergibt sich weniger Konvektionswärmeverlust als dann, wenn ein Absorber an Austrittsöffnung 12 angeordnet ist. Ein minimaler Konvektionswarmeverlust wird jedoch dann auftreten, wenn der Absorber 28 parallel zur Horizontalachse 20 verläuft, wobei ein Teil des Absorbers 28, auf den die Energie auftrifft, nach unten gerichtet ist. Die Wand 22 kann durch irgendein bekanntes Verfahren zur Herstellung von Strahlungsenergie reflektierenden Oberflächen ausgebildet sein und kann aus einem Material bestehen, welches im wesentlichen die ganze aus der Austrittsöffnung 12 austretende Sonnenenergie reflektiert, beispielsweise kann als Material Aluminium oder Silber Verwendung finden.

Einige Verluste treten bei der durch die Wände 22 reflektierten Energie infolge der Absorption einfallender Strahlungsenergie durch Wand 22 auf. Vom Standpunkt der Gesamtenergieumwandlung aus gesehen, ist die durch Wand 2 2 absorbierte Strahlungsenergie nicht vollständig verloren, wenn die hintere Oberfläche der Wand 22 thermisch mit Isolierung 32, beispielsweise einem Urethan-Schaum, isoliert ist. Bei einer solchen Isolierung arbeitet die Wand 22 auf einer etwas erhöhten Temperatur und wirkt auf diese Weise als ein Strahlungsschirm für Absorber 28 mit der Folge, daß der Strahlungsverlust von der erwärmten Oberfläche des Absorbers 28 vermindert wird. Fig. 2 zeigt Mittel zur Isolierung der Austrittsöffnung 12 gegenüber Absorber 28. Die Wand zur Reflexion von im wesentlichen der gesamten aus der Austrittsöffnung 12 austretenden Energie auf den Absorber 28 umfaßt zwei Kreisabschnitte 36 und 38, bestimmt durch Winkel 0~ und 0_ , und geradlinige reflektierende Wandabschnitte 40 und 42. Die Winkel 0 und

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folgen der gleichen Regel wie 0./ so daß der kombinierte Effekt von 0„ und 0 zur Minimierung der effektiven Wärmeverluste mit dem Absorber 28 parallel zur Horizontalachse 20 erreicht wird. Die gekrümmten Abschnitte 36 und 38 biegen die Energie von der Ebene 18 der Austrittsöffnung 12 weg, wohingegen die geraden Abschnitte 42 und 4O₇ von denen Je^-der gleich lange entgegengesetzt angeordnete Abschnitte aufweist, die seitliche Versetzung des Absorbers 28 vorsehen, um Konvektionswärmeverluste zu reduzieren.

Diese Anordnung hat die Vorteile der Verminderung von Wärmeleitverlusten, da die beheizte Oberfläche des Absorbers 28 von den reflektierenden Wänden 14 entfernt ist, wobei ferner die Konvektionsverluste von der beheizten Oberfläche des Absorbers 28 vermindert werden, und zwar durch den geradlinigen Abschnitt 42, der eine stagnierende Luftschicht unter dem Absorber 28 erzeugt. Die Verwendung von geradlinigen Abschnitten und gekrümmten Abschnitten, um die Versetzung des Absorbers gegenüber Austrittsöffnung 12 zu gestatten, geschieht ohne Konzentration oder Dispersion von aus Austrittsöffnung 12 austretender Energie. Im Hinblick auf diese Offenbarung sind weitere Kombinationen von gekrümmten und geradlinigen Abschnitten mit unterschiedlichen Winkeln möglich, um einen verminderten Konvektionswärmeverlust von einem an der Austrittsöffnung 12 angeordneten Absorber zu erzeugen, und zwar einschließlich solchen mit geradlinigen Abschnitten gleicher Länge parallel zur Achse 16, die sich von den Endpunkten aus erstrecken, wobei der Kreisabschnitt am Ende der geradlinigen Abschnitte beginnt.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Bestimmte Kollektoren 11 machen die periodische Einstellung von Achse 16, d.h. der Orientierung von Kollektor 11 bezüglich der Sonne, erforderlich, und zwar infolge von jahreszeitlichen Änderungen der Sonnenstellung. Dies könnte durch einen Motor 44 erfolgen, der mit dem Kollektor 11 zur Drehung um einen festen Punkt, wie beispielsweise Endpunkt 46, gekuppelt ist. Die Verminderung der Konvektionswärmeverluste

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kann dadurch erhalten werden, daß man die Wand aufspaltet, welche die aus Austrittsöffnung 12 austretende Energie auf den Absorber reflektiert. In Fig. 3 erfolgt die Aufspaltung im ersten kreisförmigen Abschnitt, definiert durch 0., wobei ein kreisförmiger Abschnitt 48 sich zusammen mit dem Kollektor 11 um Endpunkt 46 verschwenkt, während ein kreisförmiger Abschnitt 50 stationär verbleibt und den Abschnitt 48 überlappt. Auf diese Weise verändert die Verschwenkung beispielsweise von Stellung A nach Stellung B lediglich 0.. Die anderen Abschnitte sind in der in Fig. 2 gezeigten Weise ausgebildet, wobei geradlinige Abschnitte 52,-54 sowie ein kreisförmiger Abschnitt 56 vorhanden sind.Normalerweise rohrförmige Absorber sind aus Gründen der einfachen Herstellung zweckmäßig. Der in Fig. 3 gezeigte Empfänger 58 ist rohrförmig ausgebildet, beispielsweise so, als wenn es sich um ein Rohr mit einem Kühlmittel handelt. Da das Rohr nicht die ganze Länge zwischen den geradlinigen Wänden 54 bedecken kann, können Flossen oder Stege 60 mit dem Rohr 58 in bekannter Weise verbunden sein.

Fig. 4 zeigt ein praktisches Anwendungsbeispiel der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Prinzipien. Hier wird der Kollektor 60 verwendet, um Energie von der Sonne 62 zu empfangen. Die auf die Eintrittsöffnung 64 des Kollektors 60 auftreffende Energie wird durch die Wände 66 aus der Austrittsöffnung 68 herausgeleitet. Der Kollektor 60 besitzt einen in Querrichtung verlaufenden Querschnitt, der entlang einer Achse senkrecht zum Querschnitt erzeugt ist, um den trogförmigen oder zylindrischen Kollektor 60 zu bilden. Es können Endwände 70 vorgesehen sein, um das Gebilde zu umschließen. Eine Wand 74 dient dazu, aus Austrittsöffnung 68 austretende Energie auf den Absorber 76 zu leiten, und zwar ohne Konzentration oder Verteilung infolge der Reflexion durch die Wand 74. Die Energie vom Absorber 76 wird durch Verbrauchermittel 78 ausgenutzt.

Es sei bemerkt, daß die Vorrichtung mit einem Kollektor mit einer einzigen Seitenwand anstelle der beiden zweiwändigen -Wandeinheiten, wie sie in Fig. 1-4 q^eigt sind, verwendet werden kann. Bei einer Wandausbildung ist die Austrittsöffnung als diejenige Fläche definiert, auf die die Energie inner-

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halb eines bestimmten Winkels durch die Wand reflektiert wird. Die Endpunkte sind die Endpunkte dieser Fläche und alle in den Fig. 1-3 gezeigten Konstruktionen sind damit verwendbar.

Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele wurden unter Bezugnahme auf das Sammeln von Strahlungsenergie von der Sonne beschrieben. Es sei bemerkt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht auf die Sammlung von Energie in dieser Form beschränkt ist. Irgendeine hoch angeordnete Energiequelle, wo ein Absorber gemäß dem Stand der Technik nach oben weisen würde, kann gemäß der Lehre der Erfindung ausgebildet werden, um die Konvektionsverluste zu vermindern.

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Claims (8)

1. Ansprüche

   I 1./Zylindrischer Strahlungsenergie-Kollektor zur Konzentration von Strahlungsenergie aus der Austrittsöffnung heraus, wobei der Querschnitt der Austrittsöffnung längs einer Bezugsachse erfolgt und eine senkrecht durch die Bezugsachse verlaufende Bezugslinie aufweist, und wobei der Kollektor ferner einen Konzentrationsreflektor aufweist, der auf einer Seite der Bezugsachse angeordnet ist, um Strahlungsenergie aus der Austrittsöffnung herauszulenken, und wobei schließlich ein Energieabsorber vorgesehen ist, dadurch gekennz eichnet, daß ein Ablenkreflektor (22) vorgesehen ist, um die aus der Austrittsöffnung (12) austretende Strahlungsenergie auf den Energieabsorber (28) zu leiten, wobei der Ablenkreflektor (22) auf der entgegengesetzten Seite der Bezugsachse (18) vom Konzentrationsreflektor (14) angeordnet ist und eine erste gekrümmte Wand (22) aufweist, die einen Querschnitt besitzt, und zwar in einer Ebene koplanar mit der Bezugsachse (18) und der Bezugslinie (16), gebildet aus einem Kreisbogenradius gleich der Breite der Austrittsöffnung (12) entlang der Bezugsachse (18), und wobei die Anordnung derart erfolgt, daß aus der Austrittsöffnung (12) austretende Energie in der ersten Ebene in eine Richtung von einer Seite der Bezugslinie (18) zur anderen Seite der Bezugslinie (16) geleitet wird, wodurch gestattet ist, daß der Energieabsorber (28) versetzt gegenüber der Austrittsöffnung (12) angeordnet wird, wodurch der Konvektionswärmeverlust vom Energieabsorber (28) vermindert wird.
2. 2. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitte des kreisförmigen Bogens an einem Ende (24) der Austrittöffnung (12) längs der Bezugsachse (18) liegt, und daß sich der kreisförmige Bogen von dem anderen Ende (26) der Austrittsöffnung (12) aus entlang der Bezugsachse (18) erstreckt, so daß die Austrittsöffnung (12) entlang einem ersten Radius des Kreisbogens verläuft.

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3. 3. Kollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vom kreisförmigen Bogen umschriebene Winkel derart ist, daß die Oberfläche des Energieabsorbers (28) , auf den die Energie gerichtet wird, im wesentlichen nach unten zur Erdoberfläche hinweist.
4. 4. Kollektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (28) längs eines zweiten Radius des Kreisbogens angeordnet ist.
5. 5. Kollektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkreflektor (22) einen ersten geradlinigen reflektierenden Abschnitt (42) aufweist, der entgegengesetzte parallele reflektierende Wände besitzt, wobei jeweils der Querschnitt in der ersten Ebene eine gerade Linie mit den geraden Linien gleicher Länge ist, und wobei eine der geraden Linien sich nach unten von jedem Ende des Energieabsorbers

   (28) aus erstreckt, um auf diese Weise eine stagnierende Luftschicht unterhalb des Energieabsorbers (28) auszubilden, was die Konvektionswärmeverluste vermindert, und wobei schließlich der erste geradlinige Abschnitt bezüglich der ersten gekrümmten Wand (22) derart angeordnet ist, daß die von der ersten gekrümmten Wand (22) geleitete und auf den ersten geradlinigen Abschnitt auftreffende Energie auf den Energieabsorber (28) geleitet wird.
6. 6. Kollektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der kreisförmige Bogen zu einem ersten Punkt längs einer Linie erstreckt, die von der Mitte des Kreisbogens aus nach unten parallel zu den geradlinigen Linien des ersten geradlinigen Abschnitts (42) verläuft, und wobei der Umlenkreflektor eine zweite gekrümmte Wand (38) besitzt, die einen Querschnitt in der ersten Ebene aufweist, und zwar gebildet aus einem kreisförmigen Bogen des Radius gleich dem Radius des kreisförmigen Bogens der ersten gekrümmten Wand (36) , und wobei ein Ende des kreisförmigen Bogens der zweiten gekrümmten Wand (38) tangential zu einer geradlinigen Linie des ersten geradlinigen Abschnitts (42) verläuft, und wobei die Mitte des kreisförmigen Bogens der zweiten gekrümmten Wand (38) sich

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   am Ende der anderen geradlinigen Linie des ersten geradlinigen Abschnitts (42) weg gegenüber dem Absorber (28) befindet, und wobei ein zweiter geradliniger reflektierender Wandabschnitt (40) entgegengesetzte parallele reflektierende Wände besitzt, deren jede einen Querschnitt in der ersten Ebene aufweist, der eine gerade Linie mit den geraden Linien des zweiten geradlinigen Abschnitts (4) von gleicher Länge ist, und wobei eine der geraden Linien des zweiten geradlinigen Abschnitts (4) sich von der Mitte des kreisförmigen Bogens aus zur ersten gekrümmten Wand (36) erstreckt, und zwar zur Mitte des kreisförmigen Bogens der zweiten gekrümmten Wand (3 8), und wobei die andere geradlinige Linie des zweiten geradlinigen Abschnitts (40) die Kreisbögen der beiden gekrümmten Wände (36 und 38) tangiert.
7. 7. Kollektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieabsorber (28) sich entlang einer Längslinie senkrecht zur Bezugsachse (18) erstreckt, und daß sich die Bezugslinie (16), die ersten und zweiten gekrümmten Wände (36, 38) und die ersten und zweiten geradlinigen Abschnitte (42, 40) ebenfalls in Richtung der Längslinie erstrecken und parallel dazu verlaufen, um ein trogartiges Gebilde zu formen.
8. 8. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kippvorrichtung mit dem Kollektor gekuppelt ist, um die Neigung des Kollektors zu verändern, und wobei die erste gekrümmte Wand (36) zwei überlappende kreisförmige Abschnitte (48 und 50) aufweist, deren Querschnitte in der ersten Ebene in der Form konzentrischer kreisförmiger Bögen ausgebildet sind, wobei der kreisförmige Bogen des einen (48) bei Veränderungen der Neigung des Kollektors in der Lage ist, sich mit dem Kollektor zu verdrehen, wobei der Winkel(0.),umschrieben vom kreisförmigen Bogen der ersten gekrümmten Wand, durch die Größe der Überlappung der konzentrischen Bogen der kreisförmigen Abschnitte (48, 50) · .bestimmt.ist, und wobei die Veränderung der Neigung des Kollektors der eine kreisförmige Abschnitt (48) sich verdreht, um den Winkel zu verändern, der durch den Kreisbogen

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   der ersten gekrümmten Wand umschrieben ist, und zwar proportional zur Größe der Neigungsveränderung des Kollektors.

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