DE2643539A1

DE2643539A1 - Solarkonzentratoren mit pneumatischer spiegeloptik

Info

Publication number: DE2643539A1
Application number: DE19762643539
Authority: DE
Inventors: Johann Prof Dr I Kleinwaechter; Juergen Kleinwaechter
Original assignee: Individual
Current assignee: Bomin Solar GmbH and Co KG
Priority date: 1976-09-28
Filing date: 1976-09-28
Publication date: 1978-03-30

Description

Solarkonzentratoren mit pneumatischer Spiegeloptik
Konzentrierende Solarsysteme werden auf Grund ihrer Abhingigkeit von der direkten Sonneneinstrahlung vor Allem in sonnenreichen Ländern zum Einsatz kommen. Hier wird ihr Haupteufgabenbereich in der Produktion hochgespannten Dampfes zum Antrieb von Pumpen, Wärme- und Kältemaschinen, Generatoren und Meerwasserdestillationssnleyen liegen.
Es sind die verschiedensten Systeme bekannt geworden, die mit starren Sammeispiegeln oder Linsen die Konzentration des Sonnenlichtes vornehmen.
Dem Einsatz im grösseren Masstabe stehen derzeit noch Erstehungspreis, Transportkosten und hohe Wartungskosten (insbesondere zum 9einigen der spiegelnden Flächen) entgegen.
Die vorliegende Erfindung beschreibt daher Konzentratoren, die preiswert herzustellen sind, in ausgesprochen gewicht- und raumsparender Weise transportiert werden können und deren spiegelnde Flächen durch transparente Membreres geschützt sind.
Die Fig. 1 stellt einen Konzentrator dar, dessen grossflächiger Reflektor erfindungsgemäss aus einem pneumatischen Semmelspiegel besteht (1). Zwei starre hussenringe (2) mit dazwischenliegendem Dichtelement werden so miteinander verbunden, dass zwei Folienmenbranen (3/4) mechanisch fest und luftdicht längs des Ringumfanges einqeklemmt werden. Zwischen die obere transperente Membran (4) und die untere reflektierende (3) wird nun über ein Ventil (5) Druckluft gegracht, welche dem pneumatischen Spiegel bei kontinuierlicher Membrandicke die Form eines sphärischen Hohlspiegels verleiht. Der starre Aussenring (27 dient erfindungsgemess auch als Element zur Einführung der mechanischen Kräfts (9) bei der Koppelung mit dem Sonnennachfolgesystem (7). Dazu ist der Ring erfindungsgemäss auf eine Drehachse montiert (8), deren Richtung parallel zu der der Erdachse verluft. Sie folgt über ein Antriebselement, beispielsweise über einen Synchronrnotor, dem Tageslauf der Sonne und dreht während der Nacht zurück.
Die saisonale Elevation wird über eine weitere Verstellvorrichtung (9) entweder manuell oder ebenfalls motorisch vorgenommen.
Der Sonnenenergieabsorber (10) sitzt auf einer am starren Spiegelring befestinten Leichtrohrkonstruktion (11) zentral über dem Sammelspiegel. Die Energiedichteverteilung auf dem Absorber kann erfindungsgemäss durch änderungen des Druckes im pneumatischen Spiegel variiert werden. Der Absorber kann so gebaut sein, dass er thermische Energie in Form eines erhitzten fluids oder Gases liefert oder als Hybridkollektor konzipiert sein, der sowohl elektrischen Strom mit Hilfe von photovoltaischen oder thermoelektirschen Zellen erzeugt els auch ein erhitztes Fluid oder Gas im nachgeschalteten thermischen Absorber erzeugt.
Gererell müssen die Absorber ein selektives Absorptionsverhalten besitzen » »1 ) und gut gegen thermische Verluste geschützt sein.
Der in der Fig. 1 abgebildete Absorber ist als thermischer Umwandker konzipiert. In der spiraligen Absorberröhre (12) fliesst das Kühlmedium von den ausseren Windungen zum Zentrum hin,von wo aus es dem Verbraucher zugeleitet wird. Der Absorber sitzt in einem Kasten (13) und ist rückseitig gut thermisch isoliert. Nach oben hin wird der Absorber mit einer innenseitiq Infrarot reflektierenden, transparenten, evakuierten Hohlkugelschale (14) wärmeisoliert.
Die Fig. 2 stellt einen Konzentrator dar, dessen Reflektoren erfindungsgemiss von den Mantel- und Bodenflächen eines unter pneumatischem Druck stehenden Hohlkegels gebildet werden. Zwei starre Ringpaare (15, 16), die die obere bzw. untere Hohlkegelöffnunq-umranden, sind mit Leichtbaustreben (17) so miteinander verbunden, dass die Rippenstruktur eines Kegelstumpfes entsteht. Die Mantelfläche (18) besteht aus einer verspiegelten Folie, die zwischen beiden Ringpaaren aufgespannt ist. Der Boden wird durch eine kreisförmige, ebenfalls im unteren Ringpaar eingespsnnte verspiegelte folie (19) gebildet, während die Deckfläche aus einer im obersn Ringpaar mit eingespannten transparenten Folie (20) besteht. Die Zuführung der Druckluft geschieht über ein Ventil (21) Die Nschführmechanik ist grundsätzlich derselben Art wie die in der Fig. 1 geschilderte, jedoch ist die Verstellvorrichtung zur saisonalen Elevation (22) mit dem oberen starren Ringpaar gekoppelt.
Ein an sich bekannter innenverspiegelter Hohlkegel erzeugt bei senkrechtem Conneneinfall eine Rrennlinie in der Rotationssymstrieachse des Kegels. Wird dieser Kegel in der beschriebenen Weise erfindungsgemäss durch pneumatischen lberdruck verformt, so wird aus dem ursprünglich zweidimensional konzentrierendem Hohlkegel ein dreidimensional konzentrierender Trichter, dessen sphärisch ausgewölbte Bodenflache zusätzlich einen Brennpunkt in der gegenüber der Kegelversion verkürzten Brennlinie erzeugt. Durch Druckvariation im Inneren des Kegels kann diese Brennlinie im Grenzfall bis zu einem Brennpunkt verkürzt werden. In diesem Falle bilden Kegelmantelflächen und Bodenfläche eine homogene Kugelkalotte.
Der Absorber eines solchen Spiegelkonzentrators besteht aus einem in der Symmetrieachse gelegenen röhrenförmigen Gebilde (23), das aus den bekannten Absorberrohren in klassichen Konzentratoren oder auch aus einem transparenten "Heat-pipe" Rohr bestehen kann. Die Zu- bzw. Abführung des Wärmetransprentmediums geschieht über flexible Zuleitungen durch den unteren bzw. oberen Ring. Qualitativ sind für den Rohrabsorber dieselben physikalischen Optimierungen zu treffen wie für den Flächenhaften der Fig. 1.
ErfindunqsgemSss kann die Membrandicke und Elastizität der spiegeinden Folien so variiert werden, dass die entstehenden pneumatischen Körper eine von der sohärischen Form wählbare Abweichung erhalten, beispielsweise eine parebolische Form. Durch Änderung des Drucks und der Membranstruktur kann auf diese Weise Erfindungsgemäss jede beliebige Sammelspiegelgeometrie erzeugt werden.
L e e r s e i t e

Claims

Patentanspruche (½ Solarkonzentratoren mit pneumatischer Spiegeloptik, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine elastische Membran aus verspiegelten Folien mechanisch so eingespannt und mit transparenten Folien kombiniert wird, dass die in den luftdicht abgeschlossenen Raum zwischen Spiegelfolie und transparenter Folie gebrachte DrucK-luft, bei homogener Beschaffenheit des Folienmaterials, zur Ausbildung sphärisch verformter Sammelspiegel und bei nichthomogener Beschaffenheit des Materials zur Ausbildung beliebiger Sammelspiegelgeometrien führt.
2.) Solarkonzentratoren mit pneumatischer Spiegeloptik nach Aspruch (1), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein kreisförmiges transparentes und ein kreisförmiges spiegelndes Foliensegment längs des Umfanges eines starren mechanischen Ringes so miteinander und auf diesem befestigt sind, dass bei Druckluftbeaufschlagung des Innenraumes zwischen beiden Folien ein sphärischer Sammelspiegel mit der Form einer Kugelkalotte entsteht.
3.) Colarkonzentratoren mit pneumatischer Spiegeloptik nach Anspruch (i), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine spiege31nde Membran die Mantelfläche zweier starrer Ringe ungleichen Durchmessers, die üher Streben mechanisch planparellel auf Distanz gehalten werden, bildet und die Grund- beziehungsweise Deckfläche des so gebildeten Hohlkegelstumpfes mit einer spiegelnden, beziehungsweise einer transparenten Folie bedeckt ist.
4.) Solarkonzentratoren mit pneumatischer Spiegeloptik nach Anspruch (1) und (3), d e d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass durch pneumatischen ueberdruck im Inneren des an sich bekannten Hohlkege3 konzentrators sowohl die Mantel- als auch oie Deckfläche sphäriscn verformt werden, wodurch aus dem ursprünglichen Gebilde zweidimensionaler Konzentration ein solches drsidimensionaler Konzentration entsteht und die Brennlinie in der Rotationssymmetrieachse des pneumatischen Hohlkegels, in Funktion des Innendruckes, bis hin zum Grenzfallder punktförmigen Abbildung variiert werden kann.
5.) Solarkonzentratoren mit pneumatischer Spiegeloptik nach Anspruch (1), (3) und (4), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zwei starre Ringe so dimensioniert und auf Abstand gehalten werden, dass ein "Hohlkegelstampf" mit 45° Neigungswinkel entsteht.
6.) Solarkonzentratoren mit pneumatischer Spiegeloptik nach Anspruch (1), (2), (a), (4) und (5), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass die Krafteinführpunkte für die Sonnennachfolgemechanik an den starren Aussenringen liegen.
7.) Solarkonzentratoren mit pneumatischer Spiegeloptik nach Anspruch (1), (2) und (6), d d d j r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Absorber mit mechanischen Verstrebungen am starren Haltering so befestigt ist, dass er zentral über dem Konzentratorspiegel liegt.
8.) Solarkonzentratoren mit pneumatischer Spiegeloptik nach Anspruch (1), (3), (4), (5), und (6), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass der Absorber rohrförmig ist und in der Rotationssymmetrieachse des "pneumatischen Hohlkegels" liegt.
9.) Solarkonzentratoren mit pneumatischer Spiegeloptik nach Anspruch (1), (3), (4), (S), (6) und (8), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass der Absorber entweder einer der herkömmlichen Rohrabsorber ist oder durch eine transparente "Heat-Pipe" gebildet wird.
10.) Solarkonzentratoren mit pneumatischer Spiegeloptik nach Anspruch (1), (2), (5) und (7), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der flächenförmige Absorber nach oben hin mit einer transparenten, evakuierten, infrarotreflektierenden Hohlkugelschale gegen Wärmeverluste geschützt ist.
11.) Solarkonzentratoren mit pneumatischer Spiegeloptik nach Anspruch (1), (2), (3), (4), (s, (6), (7), (8), (9) und (10), d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , dass die Elastizität und Membrandicke der spiegelnden Folien so variiert wird, dass die entstehenden pneumatischen Körper eine von der sphärischen Form wählbare Abweichung, beispielsweise eine parabolische Form erhalten.

-12.) Solarkonzentratoren mit pneumatischer Spiegeloptik nach Anspruch (1), (2), (3). (4), (S), (6), (7), (a), (9), (10) und (11), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Absorber in einer äusseren photovoltaischen oder thermoelektrischen Schicht direkt elektrischen Strom erzeugen und in einer unteren gut wärmeleitendenverbundenen Schicht über ein Kühlmedium den Absorber kühlen und somit zusätzlich thermische Energie in Form eines erhitzten Fluids oder Gases erzeugen.