DE2715676A1 - Verfahren und einrichtung zur gewinnung eines gasfoermigen brennstoffes mittels sonnenenergie - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur gewinnung eines gasfoermigen brennstoffes mittels sonnenenergie

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DE2715676A1 DE19772715676 DE2715676A DE2715676A1 DE 2715676 A1 DE2715676 A1 DE 2715676A1 DE 19772715676 DE19772715676 DE 19772715676 DE 2715676 A DE2715676 A DE 2715676A DE 2715676 A1 DE2715676 A1 DE 2715676A1
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Description

P A T E ·Ν 1 A N W Ä I T E Osnrbrünk, Γ,, ί-pril 197?715676 Dr. V. BUSSE · Dipt.-lng. D. B1^SF VB/Kr
Qsnobrück -Groiihandolsrinyo
Mario Posnansky Pappelweg 4, Ostermundigen / BE , Schweiz Willy Keller Hettlingerstraße 7 Seuzach / ZH, Schweiz
Verfahren und Einrichtung zur Gewinnung eines gasförmigen Brennstoffes mittels Sonnenenergie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines gasförmigen Brennstoffes mittels Sonnenenergie, wobei Wasserdampf in Berührung mit glühend heisser Kohle gebracht wird und eine Einrichtung zur Gewinnung eines gasförmigen Brennstoffes, mit einer Kammer und einem zumindest teilweise darin angeordneten Kohlenstück.
Von grosser Bedeutung für die Energieversorgung ist die Langzeitspeicherung der Sonnenenergie. Weil die Sonnenenergie unregelmässig und normalerweise, wenn sie für Heizzwecke eingesetzt werden soll, nicht im günstigsten Zeitpunkt zur Verfügung steht, ist es notwendig, diese Energie zu speichern und in jenem Zeitpunkt abzurufen, in dem sie gebraucht wird. Es ist bekannt, mit Hilfe der Sonnenenergie einen Wärmeträger, z.B. Wasser, aufzuheizen und das warme
Sh/hs/68 962
Fall 9
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Wasser in einem grossen, wärmeisolierten Behälter zu speichern. Bei relativ kurzen Speicherzeiten von einigen Tagen bereitet diese Speicherung keine allzu grossen Schwierigkeiten. Hingegen stellt das Speichern der Energie, z.B.
vom Sommer bis zum nächsten Winter, einige Probleme dar. Das Erzeugen von Wassergas ist seit langem bekannt und wurde bei der Erzeugung von Kochgas angewendet, indem man Wasserdampf über glühende Kohle bzw. Koks leitet. Bei diesem Vorgang wird in einem endothermen Prozess der Wasserdampf reduziert, wobei ein zu gleichen Teilen aus CO und H 2 zusammengesetztes Gasgemisch entsteht.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Lösung zu schaffen, welche gestattet mit Hilfe von Sonnenenergie ein brennbares Gasgemsich zu erzeugen, welches Gasgemisch beliebig lange gespeichert v/erden kann.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kohle in einer Kammer mit wenigstens einem für Sonnenstrahlen durchlässigen Fenster verbracht wird, dass Wasser in die Kammer geleitet wird, und dass ein Teil der Oberfläche der Kohle zum Erhitzen eines Teiles derselben durch das Fenster und das Wasser mit einer konzentrierten Sonnenstrahlung angestrahlt wird, wobei sich im Bereich der angestrahlten Oberfläche der Kohle eine Dampfwolke bildet und der gasförmige Brennstoff erzeugt wird.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer wenigstens einen für Sonnenstrahlen durchlässigen Wandteil aufweist, dass Haltemittel zum Halten des Kohlenstückes an einer gegenüber des durchlässigen Wandteiles liegenden Stelle vorhanden ist und dass die Kammer einen Eingang zum Zuführen von Wasser und einen Ausgang zum Abführen des gasförmigen Brennstoffes aufweist.
Die Erfindung ist nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnung beispielsweise näher beschrieben.
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Es zeigen ,
Fig. 1 einen parabolischen Reflektor, der die eingefangenen Sonnenstrahlen auf einen Teil einer erfindungsgemSssen Einrichtung konzentriert,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung und Fig. 4 einen Teil einer Anlage zum Kurzzeit- und Langzeitspeichern der Sonnenenergie, mit einer erfindungsgemSssen Einrichtung.
Der in der Fig. 1 gezeichnete Reflektor 1 ist ein auf einer Säule 2 dreh- und kippbar angeordneter parabolischer Reflektor, der nit nicht dargestellten Mitteln den Sonnenstand nachführbar ist. Im Brennpunkt des Reflektors ist eine nachstehend mit Bezug auf die Fig. 2 näher beschriebene Einrichtung 3 angeordnet, die mit dem Reflektor 1 über Stützträger 4 starr verbunden ist.
Die Fig. 2 zeigt eine einfache Ausführungsform der Einrichtung 3 im Schnitt. Sie umfasst einen topfförmigen Behälter 5 aus Metall, dessen untere Oeffnung durch eine für Sonnenstrahlen durchlässige Scheibe 6, vorzugsweise aus Quarzglas, verschlossen ist. Die Scheibe 6 wird durch eine auf den Behälter 5 aufgeschraubte Ueberwurfmutter 7 gehalten. In den Behälter 5 erstreckt sich ein Rohr 8, das bezüglich des Behälters konzentrisch angeordnet und starr mit ihm verbunden ist. Innerhalb des Rohres 8 ist ein Kohlenstab 9 verschiebbar angeordnet. Auf das äussere Ende des Rohres 8 ist eine Kappe 10 aufgesetzt. Zwischen der Kappe 10 und dem oberen Ende des Kohlenstabes 9 ist eine Druckfeder 11 angeordnet, die den Kohlenstab 9 in Richtung zur Scheibe 6 presst. Damit sich der Kohlenstab 9 nicht bis zur Scheibe 6 verschiebt, ist der Rand 12 des inneren
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Endes des Rohres 8 leicht nach innen umgebördelt. In den Behälter 5 mündet eine Zuführleitung 13 zum Zuführen von Wasser in den Behälter 5 und weiter ist eine Abführleitung 14 zum Abführen eines während den nachstehend beschriebenen Vorgang entstehenden Gasgemisches vorgesehen.
Es sei nun angenommen, dass der Reflektor 1 zur Mittagszeit auf die im Zenith stehende Sonne ausgerichtet ist, wobei sich der Behälter 5 in der in der Fig. 2 dargestellten Lage befindet. Ueber die Zuführleitung 13 wird soviel Wasser 15 in den Behälter eingeführt, dass das innere Ende des Rohres 8 mit der Stirnfläche 16 des Kohlenstabes 9 in das Wasser eintaucht.
Die vom Reflektor 1 reflektierten Sonnenstrahlen 17 durchdringen die Scheibe 6 sowie das V/asser 15 und werden auf die Stirnfläche 16 des Kohlenstabes 9 fokussiert. Die auf die Gesamtfläche des Reflektors 1 einfallende Sonnenstrahlung wird auf die Stirnfläche 16 des Kohlenstabes 9 konzentriert, so dass der der konzentrierten Strahlung ausgesetzte Teil des Kohlenstabes 9 auf eine Temperatur von wenigstens 1000, vorzugsweise 1200 bis 1500° C. aufgeheizt wird. Durch die grosse Hitze in der Umgebung der Stirnfläche 16 verdampft das Wasser 15 und bildet eine die Stirnfläche 16 umhüllende Dampfwolke 18. Durch diese Dampfwolke 18 v/ird das Auftreffen der konzentrierten Sonnenstrahlen 17 auf die Stirnfläche 16 des Kohlenstabes nicht behindert.
Durch den innigen Kontakt des Wasserdampfes mit der glühendheissen Stirnfläche 16 des Kohlenstabes 9 entsteht das eingangs genannte Wassergas, das ein Gemisch von CO und H2 ist. Dieses Gasgemisch vermischt sich mit Viasserdampf und bildet Bläschen 19, die durch das umgebende Wasser aufsteigen, wobei der Wasserdampf im Wasser kondensiert und das genannte Gasgemisch sich im oberen Teil des Behälters 5 ansammelt und über die Abführ leitung 14 einem Speicher zugeleitet v/er-
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den kann.
Durch die V7asserschicht zwischen dem als Absorber wirkenden Teil des Kohlenstabes 9 und der Scheibe 6 bildet sich ein thermisches Gleichgewicht, weil einerseits das Wasser als Wärmeregulator wirkt und andererseits auch das Wasser wegen seiner thermischen Trägheit ein sicheres Ablaufen der Thermolyse sowie der anschliessenden Wassergasreaktion im Bereich der Stirnfläche 16 ermöglicht. Der Ablauf dieses Vorganges wird dadurch ermöglicht, dass das Wasser sowie der Wasserdampf für die konzentrierte Sonnenstrahlung durchlässig ist und somit ermöglicht, dass die Sonnenstrahlung direkt zum als Absorber dienenden Teil des Kohlenstabes 9 gelangt. Mit dieser Lösung wird primär nur jener Teil des Kohlenstabes 9 erhitzt, v/elcher unmittelbar 2ur Erzeugung des genannten Gasgemsiches dient. Um zu verhindern ,dass alles Wasser 15 innerhalb des Behälters 5 verdampft ist der Behälter 5 durch eine Kühlschlange 20 umgeben, wobei das erwärmte Kühlwasser beispielsweise zur Aufbereitung von warmem Verbrauchswasser genützt werden kann.
Während dem oben beschriebenen Vorgang wird Material vom unteren Ende des Kohlenstabes 9 abgetragen. Da der Kohlenstab 9 durch die Druckfeder 11 vorgespannt ist, findet ein automatischer Nachschub statt, so dass in dem Arbeitsbereich der Einrichtung dauernd Kohle und Wasserdampf vorhanden sind.
Wenn sich der Behälter 5 in der in der Fig. 1 dargestell ten Lage befindet, so verläuft der Wasserspiegel längs der strichpunktiertgezeichneten Geraden 21. Das Austreten des Gasgemsiches ist trotz der Neigung des Behälters 5 gewährleistet.
In der Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung dargestellt. In einem vorzugsweise zylindrischen Block 22 aus Quarzglas oder Quarz befindet sich ein nicht durchgehender Längskanal 23 mit einem runden Querschnitt und durchgehender Querkanal 24 mit vor-
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zugsweise rechteckigem Querschnitt, dessen grössere Abmessung dem Durchmesser des Längskanales 23 entspricht. Der Längskanal 23 mündet in den mittleren Bereich des Querkanales 24 ein wobei der Längskanal 23 an der Mündungsstel-Ie eine leichte Verengung 25 aufweist, die die gleiche Aufgabe erfüllt, wie der nach innen umgebördelte Rand 12 des Rohres 8 der Ausführung gemäss der Fig. 2. Im Innern des Längskanales 23 ist ein Kohlenstab 26 verschiebbar angeordnet. Das obere Ende des Blockes 22 ist von einer metallisehen Fassung 27 umgeben, die einen Rohransatz 28 besitzt, welcher als Verlängerung des Längskanales 23 dient. Das freie Ende des Rohransatzes 28 ist mit einer Kappe 29 verschlossen. Zwischen der Kappe und dem Kohlenstab 26 ist eine Druckfeder 30 angeordnet, welche den Kohlenstab 26 gegen die Verengung 25 presst.
Die vom Reflektor gesammelten Sonnenstrahlen 31 werden durch den unteren Teil des Blockes 22 hindurch auf die untere Stirnfläche 32 des Kohlenstabes 26 fokussiert, wodurch der untere Teil des Kohlenstabes glühend heiss wird. Ueber ein Eingangsrohr 33 wird dem Querkanal 24 Wasser zugeführt, das im Bereich des glühendheissen Teiles des Kohlenstabes 26 sofort verdampft. Durch den engen Kontakt des Wasserdampfes mit der glühendheissen Kohle entsteht das obengenannte Wassergas, welches zusammen mit einem Teil des Wasserdampfes den Querkanal 24 über ein Ausgangsrohr 34 verlässt.
Die Fig. 4 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Anlage zum kurz- und langfristigen Speichern der Sonnenenergie, welche Anlage eine erfindungsgemässe Einrichtung zur Erzeugung von Wassergas mit Hilfe von Sonnenenergie besitzt. Mittels einer Wasserpumpe 35 wird Wasser über eine flexible Rohrleitung 36 zu einem Eingang 37' einer Einrichtung 38 gefördert, die ähnlich arbeitet wie die in der Fig. 3 dargestellte Einrichtung. Die Einrichtung 38 besitzt ein
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Rohr 39 mit einem Fenster 4o aus Quarzglas oder Quarz. Auf der dem Fenster 40 gegenüberliegenden Stelle des Rohres 39 mündet ein Rohransatz 41 in das Rohr 39 ein. An der Mündungsstelle des Rohransatzes 41 besitzt derselbe einen kleinen radial nach innen verlaufenden Rand 42, an dem die untere Stirnfläche 43 eines Kohlenstabes 44 anliegt. Das andere Ende des Rohransatzes 41 ist durch eine Kappe 45 verschlossen. Zwischen der Kappe 45 und dem Kohlenstab 44 ist eine Druckfeder 46 angeordnet, die den Kohlenstab 44 gegen den Rand 42 presst. Die konzentrierte Sonnenstrahlung 47 trifft durch das Fenster 40 und durch das sich im Rohr 39 befindliche Wasser auf die Stirnfläche 43 des Kohlenstabes 44 auf, wodurch dieser erhitzt. Im Bereich der genannten Stirnfläche 43 bildet sich eine Wasserdampfwolke 48, wodurch das Wassergas erzeugt wird. Ein Gemisch von Wassergas, Wasserdampf und Wasser verlässt über einen Ausgang 49 die Einrichtung 38 und gelangt über eine flexible Rohrleitung 50 zu einem Wasserabscheider 51. Das abgeschiedene Wasser gelangt übereine Rohrleitung 52 zurück zur Wasserpumpe 35. Das im Wasserabscheider 51 abgeschiedene Gasgemisch enthält nebst dem Wassergas auch noch einen Anteil an Wasserdampf. Dieses Gasgemisch gelangt über eine Rohrleitung 53 zu einem Wärmeaustauscher 54 mit einer Kühlschlange 55, in v/elcher der Wasserdampf kondensiert. Das übrige Gasgemisch gelangt mit dem kondensierten Wasser über eine Rohrleitung 56 zu einem weiteren Wasserabscheider 57. Vom Wasserabscheider 57 wird das kondensierte Wasser über eine Rohrleitung 58 zur Wasserpumpe 35 zurückgeführt. Das Wassergas wird durch eine Gaspumpe 59 abgesaugt und in einen Gasbehälter 60 gepumpt. In diesem Behalter kann das brennbare Gasgemisch beliebig lange gespeichert werden, ohne dass Energieverluste auftreten.
Eine Kühlmittelpumpe 61 fördert ein Kühlmittel, das VJasser sein kann, durch eine Rohrleitung 62 in einen die Rohrleitung 52 umgebenden Kühlmantel 63 zum Kühlen des aus
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dem erstgenannten V7asserabscheider 51 austretenden Wassers, durch eine Rohrleitung 64 in den Wärmeaustauscher 54 zum Kondensieren des restlichen Viasserdampfes in dem Gasgemisch, das den Wasserabscheider 51 verlässt, durch eine Rohrleitung 65 und durch einen Wärmeaustauscher 66 zurück zur Kühlmittelpumpe 61. Der Wärmeaustauscher 66 befindet sich in einem Behälter 67 zur Aufbereitung und Speicherung von Warmwasser. In dem Behälter 67 kann Wärmeenergie für kürzere Zeit, d.h. einige Tage, gespeichert v/erden.
Die Anlage nach der Fig. 4 zeigt auf welche vorteilhafte Weise die erfindungsgemässe Einrichtung zum Erzeugen eines brennbaren Gasgemisches mit Hilfe von Sonnenstrahlen verwendet und auf welche Weise die aus der Sonnenenergie umgesetzte Energie für lange Zeit und kürzere Zeit gespeichert werden kann.
Das in den oben beschriebenen Einrichtungen erzeugte Gasgemisch ist nicht unbedingt reines Wassergas. Ein Teil des Wasserstoffes bindet sich mit Kohlenstoff, so dass zusätzlich auch CH-J entsteht.
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Claims (7)

  1. PATENTANSPRUECHE
    /IJ Verfahren zur Gewinnung eines gasförmigen Brennstoffes mittels Sonnenenergie, wobei Viasserdampf in Berührung mit glühend heisser Kohle gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohle in einer Kammer mit wenigstens einem für Sonnenstrahlen durchlässigen Fenster verbracht wird, dass Wasser in die Kammer geleitet wird, und dass ein Teil der Oberfläche der Kohle zum Erhitzen eines Teiles derselben durch das Fenster und das Wasser mit einer konzentrierten Sonnenstrahlung angestrahlt v/ird, wobei sich im Bereich der angestrahlten Oberfläche der Kohle eine Dampfwolke bildet und der gasförmige Brennstoff erzeugt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gasförmige Brennstoff innerhalb der Kammer vom Wasser abgeschieden und dass das Wasser in der Kammer gekühlt v/ird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wasserströmung durch die Kammer geleitet wird und dass der gasförmige Brennstoff ausserhalb der Kammer vom Wasser getrennt wird.
  4. 4. Einrichtung zur Gewinnung eines gasförmigen Brennstoffes , mit einer Kammer und einem zumindest teilweise darin angeordneten Kohlenstück, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (5; 24; 39) wenigstens einen für Sonnenstrahlen durchlässigen Wandteil (6; 22; 40) aufweist, dass Haltemittel (8; 23; 41) zum Halten des Kohlenstückes an einer gegenüber des durchlässigen Wandteiles liegenden Stelle vorhanden ist und dass die Kammer einen Eingang (13; 33; 37) zum Zuführen von Wasser und einen Ausgang (14; 34; 49) zum Abführen des gasförmigen Brennstoffes aufweist.
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  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlestück ein Kohlenstab (9; 44) ist, dass das Haltemittel ein Rohrstück (8; 41) ist, in welchem der Kohlestab verschiebbar angeordnet ist, dass das aus der Kammer herausragende Ende des Rohrstückes mit einer Kappe (10; 45) verschlossen ist, dass das in die Kammer mündende Ende des Rohrstückes einen nach innen vorstehenden Rand (15; 42) zum Begrenzen des Verschiebeweges des Kohlenstabes aufweist, und dass zwischen der Kappe und dem Kohlenstab eine Druckfeder (11; 46) zum Pressen des Kohlenstabes gegen den genannten Rand angeordnet ist.
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer durch einen topfförnigen Behälter (5) und eine Oeffnung des Behälters verschliessende Scheibe (6) aus Quarzglas oder Quarz gebildet ist, dass der Ausgang (14) zum Abführen des gasförmigen Brennstoffes auf der der Scheibe gegenüberliegenden Seite des Behälters angeordnet ist, und dass Mittel (20) zum Kühlen des Wassers im Behälter vorhanden sind.
  7. 7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlcstück ein Kohlenstab (26) ist, dass die Kammer durch einen Kanal (24) quer durch einen Körper (22) aus Quarzglas oder Quarz gebildet ist, dass der Körper einen v/eiteren etv/a senkrecht zum erstgenannten Kanal stehenden und in diesen mündenden Kanal (23) zur Aufnahme des Kohlenstabes aufweist, dass der v/eitere Kanal an der Mündungsquelle eine Verengung (25) zum Begrenzen des Verschiebeweges des Kohlenstabes auf v/eist, dass der weitere Kanal mit einer Kappe (29) verschlossen ist, dass ein Federelement (30) zwischen der Kappe und dem Kohlenstab angeordnet ist und dass die in den erstgenannten Kanal ragende Stirnseite des Kohlenstabes durch den der Mündungsstelle gegenüberliendenden Teil des Körpers anstrahlbar ist.
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