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Absorber zur Aufnahme von Strahlenenergie
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Absorber zur Aufnahme von Strahlenenergie
von optisch konzentrierten Strahlenbündel und deren Umwandlung in Wärmeenergie,
und zur Weiterleitung der Wärmeenergie an einen Wärmeträger, mit aus einem in wärmeleitendem
Kontakt mit dem Wärmeträger stehenden und den Strahlen aussetzbaren Absorberkörper.
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Derartige Absorber werden beispielsweise bei Hochleistungs-Sonnenkollektoren
verwendet, bei denen ein rohrförmiger Absorberkörper in die Umgebung eines linienförmigen
Brennfleckes von einem halbzylindrischen Reflektor mit parabolischem Querschnitt
angeordnet ist. Die auf den Reflektorspiegel auftreffenden Sonnenstrahlen werden
dabei gebündelt auf den Absorber gerichtet. Es läßt sich jedoch nicht vermeiden,
daß aufgrund von Streuungen und fertigungstechnisch bedingte Toleranz fehler des
Parabolspiegels ein erheblicher Anteil der reflektierten Strahlen nicht auf den
Absorber auftreffen. Außerdem geht durch
Rückstrahlung von der stark
erhitzten Absorberoberfläche Wärme an die Umgebung verloren, so daß ein nur verhältnismäßig
reduzierter Anteil der in den Spiegel eintreffenden Strahlungsenergie zur Erhitzung
des im Absorberrohr fließenden Wärmeträgers genutzt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch fertigungstechnisch
einfache Maßnahmen den Wirkungsgrad von Absorbern der eingangs genannten Art zu
verbessern.
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Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Absorber mit
Reflexionskörpern ausgestattet ist, die streuende und/oder vom Absorber abgestrahlte
Strahlungen auf den Absorberkörper umlenken.
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Hierdurch können mit einer dem Verwendungsfall angepaßter Formgebung
eines oder mehrerer Reflexionskörper die Strahlenenergie wesentlich besser genutzt,
und bei Vorrichtungen gleicher Auslegung höhere Temperaturen des Wärmeträgers erreicht
werden.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung, können die Reflexionskörper Spiegel
flächen sein, die die Seiten des Absorberkörpers umgeben, die der einfallenden Strahlung
abgekehrt sind.
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In den Fällen, bei denen der Absorberkörper mit einer lichtdurchlässigen
Schutzhülle umgeben ist, lassen sich die
Reflexionsflächen in einer
einfachen Weise durch Verspiegelung der entsprechenden Innenfläche der Schutzhülle
herstellen.
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Von besonderem Vorteil ist, wenn diese Spiegelflächen als aktive Sekundärkonzentratoren
ausgebildet sind, wodurch eine optimale Rückstrahlung der Verluststrahlung erreicht
werden kann. Bei rohrförmigen Absorptionskörpern können diese Spiegel zylinderartig
mit parabol- oder ellipsoidförmigem Querschnitt ausgebildet sein, die als getrennte
Spiegelfolien, beispielsweise Aluminium-Spiegel oder Glasspiegel, um die Absorberrückseite
angeordnet, oder direkt auf der Innenseite einer lichtdurchlässigen Umhüllung aufgebracht
sein können, wenn eine solche ohnehin für den Absorber vorgesehen ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, kann Verluststrahlung
auch dadurch aufgefangen werden, daß der Absorberkörper aus mehreren im Strahlengang
versetzt angeordneten Absorberkörpern besteht. Hierdurch wird die Projektionsfläche
für die einfallende Strahlung vergrößert und außerdem eine gegenseitige Aufnahme
der Abstrahlwärme gewährleistet.
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Diese Au führung ist insbesondere für rohrförmige Absorberkörper geeignet,
die zu diesem Zweck parallel und/oder in Reihe geschaltet werden.
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Es ist auch möglich, die Reflexionskörper in den Strahlengang zwischen
die Strahlenquelle und dem Absorber anzuordnen, wobei sie gleichzeitig als ein passiver
Sekundärkonzentrator ausgebildet werden können.
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Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, daß mehrere beiderseitig
reflektierende Folien mit Abstand nebeneinander in den Strahlengang so angeordnet
werden, daß die einwandfrei gerichteten Strahlen des Eingangsstrahlenbündels annähernd
ungehindert durch die Zwischenräume hindurch zum Absorber gelangen. Hierbei wird
die streuende Strahlung durch mehrfache Reflexion an den Folien zum Absorber gelenkt.
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Bei sehr hohen Anforderungen können auch zwei oder mehrere der erfindungsgemäßen
Ausgestaltungen kombiniert werden, um damit eine additive Verlustenergie-Rückgewinnung
und folglich einen sehr hohen Wirkungsgrad zu erlangen. Die nicht im Strahlengang
angeordneten Reflexionskörper können außerdem auf ihrer Rückseite mit Isolierschichten
oder Luft-bzw.
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Vakuumspalten versehen werden, um eine mögliche Wärmeabgabe durch
die Reflektorkörper an die Umgebung zusätzlich zu verhindern.
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Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch
dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Zylinder-Parabol-Sonnenkollektor
und Fig. 2 - 5 je ein Ausführungsbeispiel.
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Als Anwendungsbeispiel eines Absorbers ist in Fig. 1 ein Zylinder-Parabol-Sonnenkollektor
gezeigt, der im wesentlichen aus einem annähernd halbzylinderförmigen, konkaven
Spiegel 11 mit parabolförmigem Querschnitt und einem Absorberrohr 12, durch den
ein Wärmeträger 13 fließt, besteht. Die auf den Spiegel 11 einfallenden Sonnenstrahlen
14 werden unter Bildung eines linienförmigen Brennfleckes konzentriert, in dessen
Bereich das Absorberrohr 12 angeordnet ist. Das Absorberrohr ist ferner mit einer
Glashülle 15 umgeben.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt,
in dem ein zylindrischer Absorber im Querschnitt gezeichnet ist. Im Zwischenraum
zwischen dem Absorberrohr 12 und der Schutzhülle 15 ist ein als Spiegelfolie ausgebildeter,
in der linken Zeichnungshälfte parabolförmig und in der rechten ellipsoidförmig
gezeichneter Reflexionskörper 16 bzw. 16' angeordnet. Diese Spiegelfläche lenkt
die nicht fokusierenden Strahlen wie z.B. die eingezeichneten Strahlen 18 auf den
Absorberkörper 12, so daß nahezu alle auf den Parabolspiegel 11 auftreffenden Sonnenstrahlen,
sei es durch primäre Flexion am Parabolspiegel 11 oder
sekundäre
Flexion am Reflexionskörper 16 auf den Absorberkörper 12 gerichtet werden. Auch
Abstrahlungswärme vom Absorberkörper 12 können durch die Sekundärspiegel 16 zurückgelenkt
werden.
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Um eine Wärmeabgabe über den Reflexionskörper 16 an die Umgebung zu
vermeiden, ist an der Rückseite dieses Spiegels ein Isolierkörper 20 aus einem Kunststoff
oder Reramik vorgesehen, der entweder direkt mit der Rückseite des Reflexionskörpers
in Verbindung steht oder unter Bildung eines Luftzwischenraumes getrennt angeordnet
ist. Es ist aber auch möglich, anstelle des Isolierkörpers 20 einen zweiten Reflexionskörper
21 mit Abstand hinter dem Spiegel 16 mit entsprechender Formgebung einzubauen, um
somit von der Spiegelfolie 16 ausgehende Abstrahlwärme wieder zurückzulenken und
durch Aufbau eines Wärmestau im Zwischenraum die Energieverluste zu minimalisieren.
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Fig. 2 zeigt eine Ausführung, bei der der Absorberkörper 12 exzentrisch
in der Hülle 15 angeordnet ist, so daß durch direkte Verspiegelung der halben Innen-
oder Außenfläche 25 bzw. 26 der Hülle 15 ein ähnlicher Effekt wie mit dem Paraboloidspiegel
16' erreicht wird. In der rechten Hälfte ist eine Isolationsschicht 27 mit verspiegelter
Oberfläche 28 mit der Innenwand der Hülle 15 verbunden.
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In Fig. 4 ist eine Variante gezeigt, in der die Aufteilung des Absorberkörpers
in mehrere Absorberrohre 30 - 33, die insgesamt den effektiven Einfallwinkel erweitern
und zur gegenseitigen Aufnahme von Abstrahlwärme dienen. Zusätzlich kann noch eine
sekundäre Flexionsfläche gemäß einer der beschriebenen oder anderen Ausführungen
vorgesehen werden.
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In der Zeichnung ist als solches ein Isolierkörper 34 um die Hülle
15 angeordnet und die mit einer verspiegelten Innenfläche 35 versehen ist.
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Streuende Reflexionsstrahlen vom Parabolspiegel lassen sich auch direkt
durch in den Strahlengang eingesetzte Reflektoren auf den Absorber konzentrieren.
Ein Beispiel hierzu ist in Fig. 5 gezeigt, in dem mehrere voneinander mit Abstand
angeordnete und gemäß den gerichteten Strahlen des konzentrierten Strahlenbündels
orientierte Spiegelfolien 40 vorgesehen und im Raum zwischen dem Absorberrohr 12
und der Hülle 15 eingesetzt sind. Diese Folien lassen die zum Brennpunkt 41 gerichteten
Strahlen 42 annähernd ungehindert durch, während andere Strahlen wie z.B. 43 und
44 auf die Spiegelflächen auftreffen werden und dabei durch Mehrfachreflexion zum
Absorberkörper 12 gelangen. Die Abstrahlwärme auf der Rückseite wird mit Isolierkörpern
46 zurückgehalten.
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Die beschriebenen Maßnahmen zur Erhebung des Wirkungsgrades eines
Absorbers sind alle auf einen zylindrischen Absorberkörper unter Verwendung eines
Zylinder-Parabol-Reflexionsspiegels gerichtet.
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Es ist jedoch selbstverständlich, daß die Maßnahmen mit entsprechender
Ausgestaltung jedem beliebigen System entsprechend angepaßt werden können. Beispielsweise
ist es möglich, Absorber mit flachen oder mit vollständig vom Wärmeträger umspülten
Absorberkörpern auch mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen auszurüsten. Ein weiterer
Faktor, der die Orientierung und die Formgebung der sekundären Reflektoren beeinflußt,
ist die Art, wie die Strahlen gebündelt sind, sei es durch Linsen, Einzelspiegel
oder Spiegel systemen.
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L e e r s e i t e