DE2829311A1

DE2829311A1 - Mehrstufiger sonnenenergie-konzentrator

Info

Publication number: DE2829311A1
Application number: DE19782829311
Authority: DE
Inventors: Harold John Weslow
Original assignee: GREEN BAY; NETZOW PAUL; WESLOW; WESLOW THOMAS A
Current assignee: GREEN BAY; NETZOW PAUL; WESLOW; WESLOW THOMAS A
Priority date: 1977-07-05
Filing date: 1978-07-04
Publication date: 1979-01-25
Also published as: IL54995A; IL54995A0; CA1068568A; JPS5471439A; EG13634A; US4137899A

Description

WESLOW ... FH/HP

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für die Ausnutzung von Sonnenstrahlung zur Erwärmung eines Strömungsmittels. Im einzelnen richtet sich die Erfindung auf Verbesserungen in der Klasse der Sonnenenergiewandler, die als Konzentratoren bekannt sind und bei welchen Linsen zur Fokussierung der Strahlungsenergie der Sonne auf eine Wärme absorbierende und übertragende Oberfläche verwendet werden.

Bekannte Sonnenenergiekonzentratoren lassen sich allgemein dahingehend charakterisieren, daß sie eine Leitung aufweisen, durch welche das zu erwärmende. Strömungsmittel strömt. Die Leitung befindet sich in einem isolierenden Gehäuse, üblicherweise in der Nähe seines Bodens. Eine oder mehrere Linsen sind in einer geeigneten Halterung in kurzem Abstand von der Leitung angeordnet und fokussieren Bilder der Sonne auf der Leitung. Die Leitung ist üblicherweise mit einer Metallplatte verbunden, die eine dunkle Oberfläche zur Verstärkung der Absorption von Sonnenstreulicht, das außerhalb des Brennpunktwegs der Linsen liegt, aufweist. Das Konzentrieren bzw. Fokussieren primärer Sonnenstrahlung, die über eine große Fläche hinweg eingefangen worden ist, auf eine im Vergleich dazu kleinere Fläche auf der Strömungsmittelleitung, gestattet eine Anhebung der Temperatur des Strömungsmittel auf einen höheren Wert, als er sonst erzielbar wäre, wenn die Sonnenenergie über eine größere Fläche verteilt wäre.

Bei bekannten Sonnenenergiekonzentratoren geht ein wesentlicher Anteil der im Spektrum der Sonnenstrahlung enthaltenen Energie, die in brauchbare Wärme umgewandelt

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worden ist, durch Wiederabstrahlung, Konvektion und Leitung an die Umgebung verloren. Die Erfindung befaßt sich mit einer Verminderung dieser Verluste.

Die Grundlagen und Probleme bekannter Sonnenenergiekonzentratoren ergeben sich aus einigen Patentschriften. Gemäß der US-PS 3 915 148 ist in der oberen öffnung eines Gehäuses ein Feld von Fresnel-Linsen angeordnet, die die Primärstrahlung der Sonne in parallelen Brennlinien auf einen Absorber konzentrieren bzw. fokussieren, der aus mehreren V-förmigen Leitungen besteht, auf deren Spitzen die Brennlinien auftreten. Eine gemäß der Patentschrift vorgesehene Maßnahme zur Verminderung der Wiederabstrahlung thermischer Energie durch den Absorber besteht darin, den Winkel- zwischen den Wänden der V-förmigen Leitungen so zu bestimmen, daß die eine Wand Strahlung auf die andere emittiert. Zwischen den Absorbern und den Linsen ist nichts weiter als Luft vorhanden. Die Luft führt Konvektion durch und leitet Wärme von den Absorbern weg. Sie steht in Berührung mit den Linsen, die ihrerseits wiederum über ihre äußeren Flächen in Wärmeaustauschbeziehung mit der atmosphärischen Luft stehen. Das Strömen von verhältnismäßig kühler atmosphärischer Luft über die Außenseiten der Linsen führt zu einem nennenswertem Wärmeverlust aus dem Inneren des Konzentrators durch Konvektion und Leitung sowie durch Wiederabstrahlung.

US-PS 3 985 118 beschreibt einen Sonnenofen, welcher Fresnel-Linsen zur Fokussierung von über eine große Fläche gesammelter Sonnenstrahlung auf eine entsprechende Anzahl von wärmeleitenden Elementen verwendet, die sich in Gefäße erstrecken, in denen sich das aufzuwärmende Strömungsmittel befindet. Gemäß dieser Patentschrift ist eine Wärmebarriere bzw. Platte zwischen den Linsen und den Gefäßen,

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auf die die Strahlung konzentriert wird, angeordnet. Die Wärmebarriere weist Löcher auf, durch die die Sonnenstrahlung an die die Wärme absorbierenden und leitenden Elemente gelangen kann. Die Wärmebarriere absorbiert jedoch sekundäre bzw. wiederabgestrahlte Infrarotstrahlung und nimmt in keiner nennenswerten Weise an einer Wärmeübertragung auf das Strömungsmittel teil. Man kann davon ausgehen, daß die Barriere thermisches Gleichgewicht erreicht.

Ein weiterer Sonnenenergiekonzentrator zur Aufwärmung eines Strömungsmittels ist in der US-PS 3 981 295 beschrieben. Er ist durch ein isolierendes Gehäuse charakterisiert, welches an seiner Oberseite ein Linsenfeld und an seinem Boden ein Paar -von in geringem Abstand liegenden Platten aufweist. Zwischen den Platten strömt ein dünner Film eines wärmeabsorbierenden Strömungsmittels. Die obere Platte auf der Seite der Linsen ist zur Verstärkung der Strahlungsabsorption dunkel gehalten. Zwischen der Absorberplatte und den Linsen ist nichts vorgesehen, was die sekundäre Infrarotstrahlung abfangen könnte, die von der absorbierenden Platte emittiert wird. Die Fläche des Absorbers, die dem Äußeren des Gehäuses dargeboten wird, ist so groß, daß eine wesentliche Wärmemenge an die Atmosphäre rückabgestrahlt werden kann. Es sind keine Mittel zur Ausnutzung der rückabgestrahlten thermischen Energie vorgesehen.

In der US-PS 3 929 121 ist ein Sonnenenergiekonzentrator beschrieben, der ein isolierendes Gehäuse mit einer Abdeckung, in welcher sich eine Anzahl von Linsen befindet, umfaßt. Eine Anzahl von Glaskolben ist im Boden des Gehäuses unter den Linsen so angeordnet, daß primäre Sonnenstrahlung auf die Kolben fokussiert wird. Die Kolben weisen eine Totluftkammer auf, die über einer von

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dem zu erwärmenden Strömungsmittel eingenommenen Kammer angeordnet ist. Die letztgenannten Kammern sind zur Gewinnung eines kontinuierlichen Strömungspfads in Serie miteinander verbunden. Der Totluftraum weist Glas auf der einen Seite von ihm und eine absorbierende Fläche auf der anderen auf. Die Luft in diesem Raum hat gewisse Isolationseigenschaften, absorbiert aber keine nennenswerte Menge von Infrarot- bzw. Wärmestrahlung, die durch den Absorber rückabgestrahlt wird.

Es gibt noch eine Anzahl weiterer Patente über Sonnenheizvorrichtungen, die jedoch alle keine Mittel zur Minimalisierung von Verlusten beschreiben, die auf Wiederabstrahlung von Wärmeenergie durch den Absorber zurückgehen. US-PS 1 672 750 zeigt lediglich Linsen, die auf eine breitflächige Absorberplatte fokussieren, unter der Wasser fließt, wobei sich lediglich ein Luftzwischenraum zwischen der Platte und den Linsen befindet. US-PS 2 277 311 weist eine Strömungsmittelleitung auf, die in einem Gehäuse auf einem isolierenden Material sitzt, wobei ein Linsenfeld die Leitungsschlange überdeckt. US-PS 1 683 266 beschreibt eine Sonnenheizvorrichtung, welche einen parabolischen Reflektor verwendet, wobei sich das das Strömungsmittel leitende Rohr im Brennpunkt befindet. Ein Linsenfeld über die Parabel hinweg fokussiert auf Reflektoren auf der parabolischen Oberfläche, die ihrerseits die fokussierten Strahlen auf das Rohr richten. Ferner beschreibt US-PS 3 822 692 eine Vorrichtung, die Linsen zur Fokussierung der Sonnenstrahlung auf wassergefüllte Rohre zur Erzeugung von Dampf für das Betreiben einer Maschine verwendet. US-PS 1 673 429 beschreibt einen Wasserwärmer, der eine Anzahl von Linsen umfaßt,

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die längs eines zick-zack-förmigen Wasserrohres innerhalb eines isolierenden Gehäuses angeordnet sind.

Die Erfindung schafft einen Konzentrator, welcher einen größeren Anteil der von der Sonne her verfügbaren Strahlungsenergie in nutzbare thermische Energie zur Aufwärmung eines Strömungsmittels verwandelt.

Ferner schafft die Erfindung einen Sonnenenergxekonzentrator mit mehreren Stufen, von denen jede eine Strömungsmittelleitung aufweist, die so eingerichtet sind, daß primäre bzw. direkte Sonnenstrahlung, die auf wenigstens eine der Leitungen mit Hilfe von Linsen konzentriert worden ist, dem in dieser Leitung enthaltenen Strömungsmittel hohe Temperatur verleiht, und daß sekundäre bzw. Infrarotstrahlung, die durch die heiße Leitung rückabgestrahlt wird, durch wenigstens eine andere Leitung absorbiert wird, um auf diese Weise die Energieverluste an die Umgebung zu minimalisieren.

Ferner schafft die Erfindung einen Sonnenenergxekonzentrator, bei welchem Wärmeverluste durch Leitung, Konvektion und Wiederabstrahlung vermindert sind.

Ferner schafft die Erfindung einen Sonnenenergxekonzentrator, der eine kurze Anfahrzeit nach einer Zeitdauer hat, in der keine Sonneneinstrahlung vorlag, oder anders ausgedrückt, die Fähigkeit, Strömungsmittel mit der gewünschten hohen Ausgangstemperatur schon kurze Zeit nach dem Wiedererscheinen der Sonne zu erzeugen.

Ferner schafft die Erfindung einen Sonnenenergiekonzentrator, der einfach im Aufbau, verhältnismäßig einfach herzustellen und leicht zu warten ist.

Der Sonnenenergxekonzentrator gemäß der Erfindung ist allgemein charakterisiert durch ein isolierendes Gehäuse mit einer öffnung an der Oberseite. Ein Vorzugs-

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weise lichtdurchlässiger Halter, in welchem ein Feld von Fokussierlinsen angeordnet ist, deckt die öffnung ab. Innerhalb des Gehäuses befinden sich in verschiedenen Niveaus bzw. Stufen Leitungen für ein Strömungsmittel. Typischerweise fokussieren die Linsen, bzw. die Mehrzahl von ihnen, primäre Sonnenstrahlung auf die Leitung, die sich in der Brennebene der Linsen befindet. Wenigstens eine andere Leitung in einem Niveau zwischen der ersten Leitung und den Linsen ist so angeordnet, daß sie eine Fokussierung der Primärstrahlung auf die erste Leitung gestattet, aber die Sekundär- bzw. Infrarotstrahlung, die durch die erste Leitung rückabgestrahlt wird, absorbiert, um so diese Sekundärstrahlung unter Vermeidung nennenswerter Verluste von ihr an die Umgebung abzufangen und auszunutzen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser ist

Fig. 1 eine Draufsicht eines Sonnenenergiekonzentrators

gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Schnitt längs einer Linie, die ungefähr Linie 2-2 in Fig. 1 entspricht,

Fig. 3 eine Draufsicht des Konzentrators, wobei Teile

abgebrochen gezeigt sind, um den Aufbau in verschiedenen Ebenen darzustellen, wobei die Ebenen im wesentlichen durch die Linie 3-3 in Fig. definiert sind,

Fig. 4 ein Querschnitt längs der irregulären Ebene

4-4 in Fig. 2,

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Fig. 5 eine Darstellung eines Teils eines Linsenauf-

baus, der im Konzentrator verwendet werden kann,

Fig. 6 ein Fragmentschnitt einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzentrators, und · 5

Fig. 7 ein Fragmentschnitt einer nochmals weiteren

Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzentrators.

Gemäß den Fign. 1 und 2 umfaßt der Konzentrator ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Gehäuse. Das Gehäuse weist eine Anzahl äußerer Seitenwände 11 bis 14 und einen äußeren Boden 15 auf. Die oberen Enden der Gehäusewände sind, wie gezeigt, nach innen gekehrt und liefern einen Flansch 16.

Das Gehäuse weist innere Wände, wie die mit 17 und 18 bezeichneten, und einen inneren Boden 19 auf, die zusammen mit den Außenwänden, wie 11 und 13, und dem äußeren Boden 15 ein Volumen definieren, das von einer Wärmeisolation 20 eingenommen ist. Das innere und das äußere Gehäuse können aus irgendeinem geeigneten Flach- bzw. Plattenmaterial, wie Stahl, Aluminium oder Kunststoff, bestehen.

Eine dünne Platte 21, vorzugsweise aus lichtdurchlässigem Material, dient als Abdeckung bzw. Abschluß für das innere Gehäuse. Die Platte sitzt auf Abstützwinkein, wie 22, die an den inneren Gehäusewänden befestigt sind.

Eine Anzahl von Linsen, wie 25 und 26, sind in der Abdeckplatte 21 angebracht. Diese Linsen sind Sammellinsen, die primäre Sonnenstrahlung an Brennpunkten fokussieren, die innerhalb des Gehäuses liegen. Der Brennkegel für die längerbrennweitigen Linsen 25 ist mit 25' markiert, während der Brennkegel einer typischen kürzer-

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brennweitigen Linse 26 mit 26' markiert ist. In Fig. sieht man, daß Linsen in Spalten, die Linsen 25 enthalten, bezüglich solchen in Spalten, die Linsen 26 enthalten, versetzt sind.

Im Abstand von den Linsen auf dem inneren Boden 19 des Gehäuses ist eine serpentinenförmige Rohrleitung 27 angeordnet, deren Stromungsmittelauslaßende durch den mit 28 markierten Pfeil angezeigt ist. Leitung 27 ist in etwas angeordnet, das der Einfachheit halber als erste Heizstufe bezeichnet ist. In einer Ebene, die sich in geringerem Abstand von den Linsen als Leitung 27 befindet, ist eine weitere serpentinenförmige Leitung 30 vorhanden. Ihr Einlaßende ist durch den mit 31 markierten Pfeil angezeigt. Die Leitungen 27 und 30 sind in Reihe miteinander verbunden und bilden einen kontinuierlichen Strömungsmittelweg zwischen Einlaß 31 und Auslaß Wenn sich der Konzentrator in Betrieb befindet, wird ein aufzuheizendes Strömungsmittel durch die in Reihe miteinander verbundenen Leitungen, die Sonnenenergieabsorber sind, gepumpt oder sonstwie zirkuliert. Das Arbeitsströmungsmittel kann Wasser sein. Normalerweise wird jedoch eine Flüssigkeit niedriger spezifischer Wärme und mit niedriger Gefriertemperatur durch die Leitungen zirkuliert, insbesondere in klimatischen Gebieten, wo die Umgebungstemperatur mit Wahrscheinlichkeit unter den Gefrierpunkt von Wasser fällt. Die Einlasse und Auslässe können mit, nicht gezeigten, Wärmeaustauscherschlagen beispielsweise in einem Speichertank verbunden sein, wo die dem in den Leitungen zirkulierenden Strömungsmittel verliehene Wärme auf Wasser oder ein anderes Strömungsmittel oder einen Festkörper übertragen werden kann, die für Haushalts- oder industrielle Zwecke verwendet werden können.

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Man beachte in Fig. 2, daß sich die Abschnitte der Leitung 30, die sich quer durch das Innere des Gehäuses nach vorne und zurück erstrecken, in anderen Ebenen liegen als die Abschnitte der Leitung 27 in der ersten Stufe. Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich, bilden angrenzende Abschnitte der Leitung 30 Freiräume, wie etwa den mit. markierten, die gestatten, daß die von der Sonne herkommende fokussierte Strahlung unbehindert, ohne daß dazwischen Absorption stattfindet, auf die Leitung 27 der ersten Stufe fällt.

In der Ausführungsform der Fig. 2 ist die Leitung 30 der zweiten Stufe auf einer Tafel bzw. Platte 33 aus wärmeabsorbierendem und wärmeleitendem Material abgestützt. Die Platte weist ein Feld von versetzten langgestreckten öffnungen auf, von denen in Fig. 2 eine mit 34 markiert ist. Diese öffnungen bilden einen weiteren Durchgang für die Brennkegel der Linsen 25, damit diese ihre Brennpunkte auf der Leitung 27 der ersten Stufe erreichen. Die Trägerplatte 33 ist vorzugsweise geschwärzt oder sonstwie mit einem Material beschichtet, das die Absorption von Sekundär- bzw. Infrarotstrahlung verstärkt, die durch Leitung 27 rückabgestrahlt wird, nachdem sie und ihr Strömungsmittelinhalt durch die intensive Primärsonnenenergie , die an den Brennpunkten der Linsen in Wärme umgesetzt wird, aufgeheizt worden sind. Der Absorber 33

leitet auf die Absorption von rückabgestrahlter Energie zurückgehende Wärme an die Leitung 30 der zweiten Stufe. Über der Leitung 30 der zweiten Stufe ist bei dieser Ausführungsform eine weitere Platte 35 aus wärmeabsorbierendem und wärmeleitendem Material angeordnet, die eine Anzahl von langgestreckten öffnungen bzw. Perforationen, wie die mit 36 markierte, aufweist, um einen Durch-

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gang für die Brennkegel der Strahlung zu liefern, die auf verschiedene Punkte der Leitung 30 der zweiten Stufe fokussiert wird. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist eine Isolationsschicht 37 mit den öffnungen 36 entsprechenden öffnungen auf der Platte 35 angebracht. Bei dieser Ausführungsform erstreckt sich die Platte 35 von Innenwand zu Innenwand des Gehäuses und ist zur Halterung an gegenüberliegenden Wänden festgemacht. Die Unterseite der Platte 35 kann so behandelt sein, daß sie verstärkt Infrarotstrahlung zurück auf die Leitung 30 der zweiten Stufe reflektiert. Platte 35 und Isolationsschicht 37 bilden einen Schild, der die Menge an Strahlung im Infraroten bzw. thermischen Band, die in die Atmosphäre rückabgestrahlt werden kann, vermindert. Der Schild wirkt dabei auch im Sinne einer Niedrighaltung der Temperatur der Luft zwischen ihm und der Linsenplatte 21. Dies vermindert die Temperaturdifferenz zwischen Innenseite und Außenseite der Platte 21, wodurch ein Wärmeverlust an die Umgebungsatmosphäre minimalisiert wird.

Die Fign. 3 und 4 zeigen die Konstruktionselemente des Konzentrators in Schichten, um die Klarstellung des Aufbaus zu erleichtern. Die oberste Schicht ist in der rechten unteren Ecke der Fig. 3 vorhanden und enthält, wie man sieht, die lichtdurchlässige Linsenträgerplatte 21, in der die Reihen der Linsen 25 und 26 angeordnet sind. Unmittelbar unter ihr und der Einfallseite der Sonnenstrahlung zugekehrt , liegt die Isolationsschicht 37, welche die darunter liegende Substratplatte 35 abdeckt, in der die langgestreckten öffnungen 36 vorhanden sind. Unter der Platte ist die Leitung 30 der zweiten Stufe gezeigt. Unter Leitung 30 liegt Platte 33, welche die langgestreckten öffnungen 34 für den Durchtritt der

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Strahlungskegel an die darunter liegende Leitung 27 der ersten Stufe aufweist. Man beachte, daß im linken oberen Bereich der Fig. 3 die Leitung 30 der zweiten Stufe nach unten gekrümmt ist und sich mit der nach oben gekrümmten Leitung 27 zu einem kontinuierlichen Strömungspfad zwischen dem Einlaß 31 der Leitung der oberen Stufe und dem Auslaß 28 der Leitung der unteren Stufe verbindet. Die Leitung 27 der ersten Stufe kann auch im Abstand von der Ebene des inneren Bodens 19 des Gehäuses liegen, um den Wärmeübergang auf den Boden zu vermindern. Dies vermindert die Zeit, die erforderlich ist, um die Leitung der ersten Stufe heiß zu bekommen, was insbesondere während des Anfahrens ein Vorteil ist.

Fig. 4 zeigt die unterste oder erste Stufe in zwei Schichten. Leitung 27 der ersten Stufe ist als serpentinenförmig auf dem inneren Boden 19 des Gehäuses 10 liegend gezeigt. Wie in Fig. 4 gezeigt, liegt über einem Teil der Leitung 27 die Platte 3, welche die Perforationen bzw. langgestreckten öffnungen 34 aufweist, die einen Durchtritt für die Strahlungsbrennkegel von einigen der Linsen mit Fokussierung auf die Leitung 27 der ersten Stufe gestatten.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Längserstreckung der öffnungen 34 und 36 in Ost-Westrichtung verläuft, so daß die Linsen die Sonne auch in Stellungen zu beiden Seiten ihres Scheitelpunkts auf die Leitungen abbilden können. In Fig. 1 ist die Seite, die im Gebrauch am weitesten nördlich liegt, mit N markiert, während W, S und E die West-, Süd- bzw. Ostseite angeben. Die Leitungen der verschiedenen Stufen sind vorzugsweise in Ebenen angeordnet, auf welche die Sonnenstrahlen senkrecht stehen. Mechanismen zur Anbringung der Einheit so, daß sie die Sonne

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verfolgt und das Senkrechtstehen im wesentlichen aufrechterhalten wird, sind bekannt und deshalb nicht gezeigt.

Wenn auch die Leitungen 27 und 30 des beschriebenen Zweistufen-Konzentrators aus serpentinenförmig angelegten Rohren bestehen, so liegt es für den Fachmann natürlich auf der Hand, daß die Leitung auch einen anderen Aufbau und andere Querschnitte haben kann. Jede Anordnung, die gestattet, daß fokussierte Strahlung durch Zwischenräume in der den Linsen am nächsten liegenden Leitung auf die von den Linsen am weitesten entfernte Leitung übertragen wird, erlaubt eine Ausnützung der Vorteile der neuen Merkmale der Konstruktion.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, alle Linsen in dem Feld zur Fokussierung ausschließlich auf die Leitung 27 der ersten Stufe einzurichten.

Es können verschiedene Arten von Linsenträgeraufbauten verwendet werden. Beispielsweise können Einzellinsen aus Glas oder einem anderen geeigneten optischen Material in vorgeformte Löcher der lichtdurchlässigen Platte 21 eingesetzt sein. Die Linsen können auch einstückig mit der transparenten Platte ausgebildet sein, wie dies gemäß Fig. 5 vorgeschlagen ist. Nach dieser Figur sind beispielsweise Bereiche 40 und 41 von Bikonvexlinsen einstückig mit der Platte 42 ausgeformt. Die Linsen und das transparente Plattenmaterial sollten unter dem Gesichtspunkt höchster Transmission für Sonnenstrahlung ausgewählt sein. Die Leitungen sollten vorzugsweise in einem Abstand von den Linsen liegen, der zu einer höchsten Konzentration von .Sonnenstrahlung auf der Leitung führt. Dieser Abstand kann geringfügig von der berechneten theoretischen optischen Brennweite der Linsen abweichen. Der

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Ausdruck Brennpunkt bzw. Fokussieren wird daher hier im breitesten und praktischen Sinn verwendet, der ein wesentliches Fokussieren beinhaltet. Die Brennweite, bei der für bestimmte Linsen die Energiekonzentration am höchsten ist, läßt sich experimentell leicht bestimmen. Bei einer praktischen Konstruktion besteht die Linsenträgerplatte 21 aus dem bekannten Material, das unter dem Warennamen Lucite bekannt ist, oder aus dazu äquivalenten Materialien.

Vor der Beschreibung abgewandelter Ausführungsformen des Konzentrators wird nun seine Arbeitsweise kurz diskutiert. Zu allererst wird der Konzentrator so angebracht, daß die Linsen den direkten Strahlen der Sonne zugekehrt sind. Die Linsen erzeugen dann Bilder der Sonne, die ihr Strahlungsspektrum enthalten, an Punkten in Abständen auf der Leitung 27 der ersten Stufe. Zu Beginn wird die intensive Wärme an den Brennpunkten mit hoher Geschwindigkeit an das Wärmeaustauschströmungsmittel in der Leitung geleitet. Einhergehend mit der intensiven Aufwärmung der Leitung der ersten Stufe durch die primäre Sonnenstrahlung erfolgt eine Rückabstrahlung sekundärer Infrarotstrahlung durch die Leitung der ersten Stufe. Die Intensität bzw. Energie der Infrarotstrahlung hängt natürlich zu jeder Zeit von der Temperatur der Leitung der ersten Stufe ab. Bei bekannten Sonnenenergiekonvertern wird die Sekundärstrahlung unveränderlich an den freien Raum außerhalb des Konvertergehäuses zurückgegeben. Bei der vorliegenden Konstruktion, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, wird jedoch die Infrarotstrahlung durch die dazwischenliegende leitende Trägerplatte 33 für die Leitung 30 der zweiten Stufe abgefangen und absorbiert. Diese absor-

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bierte Energie wird natürlich schnell durch Wärmeleitung auf die Leitung 30 der zweiten Stufe übertragen. Dies wärmt das Wärmeaustauschströmungsmittel vor, während es in der durch den Pfeil 31 am Einlaß angegebenen Richtung fließt. Es versteht sich, daß das kälteste Strömungsmittel durch den obersten Einlaß 31 eintritt und daß das heißeste Strömungsmittel in der unteren Leitung vorliegt und durch den Auslaß austritt, der durch den Pfeil 28 angedeutet ist. Da das Strömungsmittel in Leitung 30 verhältnismäßig kalt ist, kann eine wesentliche Temperaturdifferenz zwischen der Platte 33, welche die Sekundärstrahlung absorbiert, und der Rohrleitung 30 existieren, so daß eine wesentliche übertragung und Ausnutzung der absorbierten Sekundärstrahlung vorhanden ist. Die Verläufe, die die im allgemeinen im langwelligen Infraroten liegende Sekundärstrahlung nimmt, sind durch die in Fig. 2 mit 43 markierten kurzen Pfeile angedeutet und als Abstrahlung von Leitung 27 dargestellt. Ein geringfügiger Anteil der Sekundärstrahlung kann über ein Durchlaufen der Linsen in umgekehrter Richtung verlorengehen, der größte Anteil wird jedoch durch die Linsen und das diese haltende Plattenmaterial in das Gehäuse zurückreflektiert. Ferner kann Sekundärstrahlung, die unter Umständen auf sonstige Weise durch die lichtdurchlässige Platte 21 abgehen und verloren sein könnte, durch die Platte 35 absorbiert und an die Leitung 30 der zweiten Stufe rückabgestrahlt werden. Die auf Platte 35 befindliche Isolationsschicht 37 verstärkt diese Erscheinung. Es ist zu beachten, daß die heißeste Leitung 27 von der Linsenträgerplatte 21, die auf der einen Seite der Atmesphäre ausgesetzt ist, am weitesten entfernt ist. Andererseits sind die dazwischenliegenden Sekundärstrahlungsab-

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sorber mit Leitung 30 der zweiten Stufe und Isolationsplatte 35 kühler. Wie weiter oben schon angegeben, minimalisiert dies die Temperaturdifferenz zwischen der Atmosphäre außerhalb der Linsenträgerρlatte und den Komponenten innerhalb des Gehäuses, die ihr am nächsten sind. Die so gewonnene verminderte Differenz führt dazu, daß weniger Wärme durch Strahlung, Konvektion und Leitung an die Atmosphäre auf der transparenten Seite des Konzentrators verloren geht.

Eine Dreistufen-Version des Konzentrators ist in Fig. 6 gezeigt. Sie umfaßt ein mit 45 bezeichnetes isolierendes Gehäuse, das, abgesehen von seinen Abmessungen, ähnlich dem Gehäuse 10 der vorher diskutierten Ausführungsform ist. Ähnlich schließt auch eine transparente Platte 46, die ein Feld von Linsen 47 enthält, das Gehäuse ab. Bei der nunmehrigen Ausfuhrungsform sind drei Leitungen 48, 49 und 50 in im Abstand voneinander liegenden Ebenen bzw. Stufen, die jeweils immer näher an den Linsen liegen, vorhanden. Die Leitungen sind wie bei der vorher diskutierten Ausführungsform in Reihe miteinander verbunden. Das kühlste Strömungsmittel tritt wie im vorhergehenden Fall durch die oberste Leitung 50 bzw. Leitung der dritten Stufe ein und strömt nacheinander zu und durch Leitungen 49 und 48, in dieser Reihenfolge.

In Fig. 6 ist Leitung 49 in Wärmeaustauschbeziehung mit einer Trägerplatte 51 verbunden. In ähnlicher Weise ist Leitung 50 mit einer Platte 52 verbunden. Zwischen der Leitung der dritten Stufe und der lichtdurchlässigen Platte 46 ist eine weitere Platte 53 vorgesehen, welche mit einer Isolation 54 bedeckt .ist. Die Platten 51, 52 und 53 weisen aufeinander ausgerichtete langgestreckte Schlitze 55, 56 bzw. 57 auf. Diese Schlitze bilden einen Durchgang für

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Kegel konzentrierter Sonnenstrahlung zur Fokussierung in Abständen nur auf der Leitung 48 der ersten Stufe.

Die Arbeitsweise ist mit der der vorher diskutierten Ausführungsform vergleichbar. Die untere Leitung, die von den Linsen am weitesten entfernt ist, wird am heißesten und strahlt nennenswerte Infrarot- bzw. Wärmeenergie in die durch die Strahlen 58 angedeutete allgemeine Richtung zurück. Diese Strahlung wird in Platte 51 absorbiert und zur Leitung 49 der zweiten Stufe geleitet, deren Temperatur als Ergebnis ansteigt. Die Leitung 49 der zweiten Stufe emittiert daher sekundäre Wärmestrahlung, die durch die Strahlen 59 angedeutet ist. Diese Strahlung wird in Platte 52 absorbiert und auf die Leitung 50 der dritten Stufe übertragen. Da die Temperatur der Leitung 50 der dritten Stufe über Umgebungstemperatur ansteigt, ist weitere Sekundärstrahlung vorhanden, die in der durch die Strahlen 60 angedeuteten Weise emittiert wird. Diese Strahlung wird durch Platte 53, bei der ein Wärmeverlust an die Atmosphäre durch das Vorhandensein der Isolationsschicht 54 verhindert wird, absorbiert und rückabgestrahlt. Es ist offensichtlich, daß die Ausführungsform der Fig. 6 ein wesentliches Hindernis für den Verlust von Sekundärstrahlung von den Leitungen an die Atmosphäre darstellt.

Fig. 7 zeigt ein Bruchstück einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung, welche einige Merkmale aufweist, die bei den anderen Ausführungsformen nicht vorhanden sind. Sie umfaßt ein isolierendes Gehäuse 65, das an seiner Oberseite durch eine lichtdurchlässige Platte 66 abgeschlossen ist, in der Linsen 67 angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform umfaßt die Leitung 68 der ersten Stufe eine Anzahl von miteinander verbundenen rohrförmigen

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Abschnitten, die im Schnitt gezeigt und als senkrecht zur Zeichenebene verlaufend zu verstehen sind. Diese Leitung ist mit dem inneren Boden 64 des Gehäuses verankert. Eine Leitung 69 der zweiten Stufe besteht aus miteinander verbundenen rohrförmigen Abschnitten/ die einen länglichen Querschnitt haben. Eine Leitung 70 der dritten Stufe besteht ebenfalls aus rohrförmigen Abschnitten, die einen länglichen Querschnitt haben und senkrecht zur Zeichenebene angeordnet sind. Die rohrförmigen Abschnitte der Leitung 69 liegen seitlich im Abstand voneinander und definieren Zwischenräume, wie 71 und 72, welche der Strahlungskegel der Linsen zur Fokussierung auf den rohrförmigen Abschnitten der Leitung 68 der ersten Stufe durchlaufen kann. In ähnlicher Weise sind die Abschnitte der Leitung der dritten Stufe seitlich im Abstand voneinander angeordnet und definieren Zwischenräume, wie 73 und 74, für den Durchgang des Strahlungskegels. Zwischenräume wie 73 und 74 sind breiter als Zwischenräume 71 und 72, um die Unterbrechung jedweder primärer Sonnenstrahlung durch Leitungen 69 und 70, die zwischen den Linsen und der Leitung 68 der ersten Stufe liegen, zu vermeiden. Es ist offensichtlich, daß bei dieser Ausführungsform die Leitung 68 der ersten Stufe die heißeste sein und wesentliche thermische Energie rückabstrahlen wird. Diese thermische bzw. Infrarotstrahlung ist, wie durch die Strahlen 75 angedeutet, so gerichtet, daß sie auf die Leitung 6 9 der zweiten Stufe fällt und dort absorbiert wird. Thermische Strahlung, die von Leitung 69 rückabgestrahlt wird, wird andererseits auf den auf niedrigerer Temperatur befindlichen Hitzeschild, der durch die Leitung 70 der dritten Stufe gebildet wird, in der durch die Strahlen 76 angedeuteten

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Weise rückabgestrahlt. Diese Ausführungsforrn kommt ohne Platten zur Halterung der Leitungen der zweiten und dritten Stufe aus, und diese Leitungen können durch Bügel bzw. Sockel, die an den Seiten bzw. dem inneren Boden des Gehäuses festgemacht sind, gehalten werden. Sockel in Form von in periodischem Abstand liegenden rinnenförmigen Elementen 77 und 78 werden verwendet, um all die Leitungen in einem Abstand weg vom inneren Gehäuseboden 64 zu halten.

Als allgemeine Regel ist es bei allen Ausführungsformen, die die oben diskutierten Techniken des Wiedereinfangs rückabgestrahlter Energie benutzen, wünschenswert, die Temperatur der Leitung der ersten Stufe zu maximalisieren. Dies bedeutet, daß die Linsen so angeordnet sind, daß alle von ihnen, falls möglich, auf die erste Stufe fokussieren.

Es lohnt sich zu bemerken, daß die Wände der Leitung der ersten Stufe üblicherweise heißer als das in ihnen befindliche Strömungsmedium sind. Es ist wünschenswert, die Konstruktion so zu wählen, daß eine Temperaturdifferenz zwischen den Wänden der Leitung und dem Medium zu allen Zeiten aufrechterhalten wird. Ohne eine Temperaturdifferenz könnte mehr Rückabstrahlung als Absorption vorliegen. Es liegt auf der Hand, daß das Auftreten eines Temperaturgleichgewichts zwischen den verschiedenen Leitungswänden und dem Strömungsmedium in ihnen unwahrscheinlich ist. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Oberflächenplatten-Sonnenkollektoren, die oftmals Temperaturgleichgewicht erreichen und einen Wärmeübergang verzögern oder beenden. Bei der vorliegenden Konstruktion ist stets ein dazwischenliegender Absorber für die wiederabgestrahlte Energie vorhanden, der auf einer niedrigeren Temperatur liegt, so daß ein Gleichgewichtszustand, der unter irgendwelchen Umständen auftreten könnte, nicht vorhersehbar ist.

Ki/fg

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L e e r s e i f e

Claims

WILHELMS & KILlAN

DR. ROUF E. WILHELMS DR. HELMUT KILIAN

QEtBELeTRASSE β

8OOO MÜNCHEN

TELEFON (O 80) A7 40 T3· TELEX Ο2 34Θ7 (wilp-d) TELEGRAMME PATRANS MÖNCHEN

PH/HP 769

Harold J. Weslow, Green Bay, Wisconsin, USA

Jerome H. Weslow, Green Bay, Wisconsin, USA

Thomas A. Weslow, Green Bay, Wisconsin, USA

Paul Netzow, Hartland, Wisconsin, USA

Roland Weslow, Hartland, Wisconsin, USA

Priorität: 5. Juli 1977 - USA - 812 944

Mehrstufiger Sonnenenergie-Konzentrator

PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zur Ausnützung von Sonnenstrahlung für die Erwärmung eines Strömungsmittels, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (10; 45); eine Trägereinrichtung (41; 46; 66) und eine Anzahl von auf der Trägereinrichtung.angeordneten Linsen (25, 26; 47; 67) zur Fokussierung von Sonnenstrahlung in das Gehäuse; eine erste Anzahl von miteinander verbundenen und im Abstand liegenden Leitungseinrichtungen zur Führung von zu erwärmendem Strömungsmittel, wobei die ersten Leitungsein-

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ORIGINAL INSPECTED

WESLOW ... EH/HP 769

richtungen im wesentlichen im Brennpunkt der Linsen entfernt von der Trägereinrichtung liegen; und eine zweite Anzahl von miteinander verbundenen und im Abstand voneinander liegenden Leitungseinrichtungen im Gehäuse zur Führung von zu erwärmendem Strömungsmittel, wobei die zweiten Leitungseinrichtungen zwischen den ersten Leitungseinrichtungen und den Linsen und weniger weit entfernt von der Trägereinrichtung als die ersten Leitungseinrichtungen liegen, und wobei ferner die zweiten Leitungseinrichtungen so angeordnet sind, daß Zwischenräume für den Durchtritt fokussierter Sonnenstrahlung zu den ersten Leitungseinrichtungen vorhanden sind und daß durch die erstenLeitungseinrichtungen rückabgestrahlte Strahlung abgefangen wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und die zweiten Leitungseinrichtungen Eingänge und Ausgänge aufweisen, daß der Einlaß (31) der zweiten Leitungseinrichtungen zur Aufnahme von zu erwärmendem Strömungsmittel vorgesehen ist, daß der Auslaß der zweiten Leitungseinrichtungen mit dem Einlaß der ersten Leitungseinrichtungen gekoppelt ist und daß der Auslaß (28) der ersten Leitungseinrichtungen zur Abgabe von erwärmtem Strömungsmittel vorgesehen ist.

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WESLOW ... ρ_Η/
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Strahlungsenergieabsorptionseinrichtung, welche die zweiten Leitungseinrichtungen trägt und mit dieser in Wärmeübertragungs- beziehung steht/ vorgesehen ist und daß die Absorptionseinrichtung zur Absorption der rückabgestrahlten Strahlung zwischen den ersten und den zweiten Leitungseinrichtungen angeordnet ist und eine Anzahl von Öffnungen (34; 55) für den Durchtritt fokussierter Sonnenstrahlung aufweist. 10
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine die zweiten Leitungseinrichtungen haltende und mit diesen in Wärmeübertragungsbeziehung stehende wärmeleitende Platteneinrichtung vorgesehen ist, daß die Platteneinrichtung zur Absorption der. rückabgestrahlten Strahlung zwischen den ersten und den zweiten Leitungseinrichtungen angeordnet ist und daß die Platteneinrichtung eine Anzahl von Öffnungen (34; 55) für den Durchtritt fokussierter Sonnenstrahlung aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (34; 55) in bei Benutzung des Konzentrators ost-westlicher Richtung langgestreckt sind.

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WESLOW ... PH/HP
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß einige der Linsen (26) auf die ersten Leitungseinrichtungen und andere der
Linsen (25) auf die zweiten Leitungseinrichtungen fokussieren..
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß eine innerhalb des Gehäuses (10; 45) angeordnete Wärmeabschirmungseinrichtung zum Abfangen der von den Leitungseinrichtungen in Richtung der Linsen (25; 26) rückabgestrahlten Strahlung vorgesehen ist und daß die Abschirmungseinrichtung für den ungehinderten Durchgang von fokussierter Sonnenstrahlung von den Linsen auf die Leitungseinrichtungen ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Abschirmungseinrichtung eine Platte (35) aus wärmeleitendem Material und eine zwischen der Platte und den Linsen (25, 26) liegende Isolationsschicht (37) aufweist und daß Platte und Schicht eine Anzahl von aufeinander ausgerichteten öffnungen (36) für den Durchtritt von fokussierter Strahlung aufweisen.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e Jc en nzeichnet , daß die ersten und die zweiten Leitungseinrichtungen seitlich gegeneinander versetzt sind, um ein Vorbeilaufen fokussierter Sonnenstrahlung von wenigstens einigen der Linsen (25) an den zweiten Leitungseinrichtungen und ein Fokussieren auf die ersten Leitungseinrichtungen zu ermöglichen.
10. Mehrstufige Vorrichtung zur Ausnutzung von Sonnenenergie für die Erwärmung eines Strömungsmittels, g e k en η zeichnet durch ein Gehäuse (10; 45); eine Trägereinrichtung und eine Anzahl von auf der Trägereinrichtung angeordneten Linsen (25, 26) zur Fokussierung von Sonnenstrahlung in das Gehäuse; eine Anzahl von Leitungseinrichtungen im Gehäuse, von denen jede einen Einlaß und einen Auslaß aufweist, und wobei die Leitungseinrichtungen in zunehmendem Abstand von den Linsen angeordnet sind; und dadurch, daß die Leitungseinrichtung, welche am weitesten entfernt von den Linsen ist, im wesentlichen in einem Abstand von den Linsen liegt, in welchem die Konzentration von Sonnenstrahlung durch die Linsen am intensivsten ist, daß die Leitungseinrichtungen, welche weniger entfernt von den Linsen sind, für einen ungehinderten Durchgang von Sonnenstrahlung an die am weitesten entfernte Leitungseinrichtung und für die Absorption

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von thermischer Energie, die von der nächstangrenzenden weiter entfernten Leitungseinrichtung rückabgestrahlt wird, ausgebildet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch g e .-kennzeichnet , daß der Einlaß (31) der von den Linsen (25, 26) am wenigsten weit entfernten Leitungseinrichtung zur Aufnahme von zu erwärmendem Strömungsmittel bestimmt ist, daß eine Einrichtung zur Kopplung der Auslässe von Leitungseinrichtungen, die von den Linsen weiter entfernt sind, mit den Einlassen der nächstweniger weit entfernten Leitungseinrichtungen vorgesehen ist und daß der Auslaß (28) der von den Linsen am weitesten entfernten Leitungseinrichtung zur Abgabe des erwärmten Strömungsmittels bestimmt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß Sonnenstrahlung durch einige der Linsen (26) auf die Leitungseinrichtungen konzentriert wird, die weniger weit von den Linsen entfernt sind als die am weitesten'entfernte Leitungseinrichtung.

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