DE2901615A1 - Einrichtung zur ausnutzung von waermestrahlung, insbesondere der sonne - Google Patents

Description

• Einrichtung zur Ausnutzung von Wärmestrahlung, insbe-
• sondere der Sonne Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Ausnutzung von Wärmestrahlung, insbesondere der Sonne, bestehend aus einem Strahlenkollektor und einem Rezeptorsystem für die gesammelte Strahlung, das ein aufheizbares Medium zur direkten oder indirekten Energieübertragung enthält. Die Erfindung löst die Aufgabe, wie mit einfachen und billigen Mitteln die Wärme strahlung der Sonne effektiv ausgenutzt werden kann. Erfindungsgemäß ist die Einrichtung dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlenkollektor ein die Strahlung in einer geraden oder gekrümmten Linie oder Ebene sammelnder Reflektor benutzt ist und daß als Rezeptor in der Linie bzw. Ebene mindestens ein Teil einer das aufheizbare Medium enthaltenden Rohrleitung angeordnet ist. Auf diese Weise ist einerseits vermieden, daß die Rohrleitung über die gesamte Kollektorfläche ausgebreitet angeordnet werden muß und es ist andererseits vermieden, daß an die Herstellungsgenauigkeit des Kollek- tors allzugroße Anforderungen zu stellen sind, wie dies beispielsweise bei Kollektoren, die die Strahlung in einem Punkt sammeln sollen, der Fall ist. Die Erfindung erlaubt es, als Kollektor einen rotationssymmetrischen, insbesondere trichterförmigen oder einen symmetrischen, rinnenförmigen Reflektor zu benutzen. Solche Reflektoren sind. einfach und billig herzustellen; sie können auf Kunststoffbasis in einem Spritz- oder Strangziehverfahren hergestellt werden, wobei die Kunststoffteile in kostensparender Weise nach einem der üblichen Aufdampfverfahren mit einem wärmereflektierenden Überzug, vorzugsweise Metallüberzug, versehen werden können. Von einem derart ausgebildeten Trichter wird die Sonnenstrahlung in der mit der Symmetrielinie des Trichters zusammenfallenden Brennlinie gesammelt, wenn die-Symmetrielinie zur Sonne ausgerichtet ist. Entsprechend der Konfiguration des Trichters wird die Energieverteilung in der Brennlinie vom Trichtergrund zur Trichteröffnung hin ansteigen, also in der Höhe der Öffnung des Trichters ihren größten Wert erreichen. Im Rahmen der Erfindung wird der zu bestrahlende Teil der das aufheizbare Medium enthaltenden Rohrleitung als Wendel ausgebildet, die koaxial zur Rotationsachse des Trichters achsnah angeordnet ist. Das der Strahlung ausgesetzte Teil der Leitung ist also relativ kurz im Verhå nis zu einem Rohrleitungssystem, welches die gesamte Kollektorfläche auszufüllen hätte. In einer speziellen Ausführungsform ist die maximale Trichterweite etwa 50 bis 100 mal größer als der Durchmesser der Rohrleitungswendel.
• Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform der Wendel ergibt sich, wenn das obere (in der Trichteröffnungsebene liegende) Ende der Wendel durch die Wendelöffnung hindurch (also in der Symmetrielinie des Trichters) zum Trichtergrund nach unten geführt wird. Bei einer sol- chen Ausführungsform wird zweckmäßigerweise das zu erwärmende kalte Medium der Wendelung von unten her zugeführt. In diesem Bereich wird es zunächst - entsprecherd der erwähnten Temperaturverteilung entlang der Wendelrichtung - langsam und dann immer stärker erwärmt, so daß das Medium am oberen Ende am stärksten erhitgt ist.
• Von dort wird es dann nach unten wieder abgeführt, wobei die Wärmeabstrahlung von dem im Innern der Wendel verlaufenden Rohrstück wiederum der Aufheizung des nachströmenden Mediums zugute kommt.
• Anstelle eines trichterförmigen Reflektors kann auch ein symmetrischer rinnenförmiger Reflektor benutzt werden, der - wie angedeutet - sehr leicht in einem Strangziehverfahren hergestellt werden kann. Bei Verwendung eines solchen Reflektors wird die Rohrleitung, die' das auSheizbareMedium enthält, zweckmäßigerweise in Form eines Zick-Zack-Wickels ausgebildet und in der Symmetrieebene der Rinne angeordnet. Dabei ist es ebenso wie im Falle des Trichters zweckmäßig, das kalte Medium am Rinnengrund zuzuführen, so daß eine ansteigende Erwärmung, entsprechend der nach oben hin auch im Falle der Rinne ansteigenden Temperaturverteilung in der Ebene, erreicht wird. Bei dieser Anordnung ist es zweckmäßig, das aufgeheizte Medium durch eine wärmeisolierte Leitung an den Bestimmungsort zu führen.
• Am einfachsten ist es, die Trichter- bzw. Rinnenwandungen so anzuordnen, daß sie mit der Symmetrieachse bzw.
• Symmetrieebene des Trichters bzw. der Rinne einen Winkel von 450 bilden. Eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in der Symmetrieachse bzw. -ebene wird dann erreicht, wenn die Trichter- bzw. Rinnenwandungen derartig ausgebildet werden, daß sie mit der Symmetrielinie bzw. -ebene kontinuierlich oder stufig zum Trichter-bzw. Rinnengrund hin immer größere Winkelgrade bilden.
• Der Trichter kann je nach Platzangebot auch senkrecht zur Kegelbasis geteilt eingesetzt werden.
• Zur Vermeidung von Verschmutzungen der empfindlichen Reflektorschiit ist es zweckmäßig, die Trichter- bzw.
• Rinnenöffnung mit einer für die Wärme strahlung durchlässigen Abdeckung abzudecken. Zweckmäßigerweise wird die Abdeckung mit Mitteln zur rotationssymmetrischen bzw.
• spiegelsymmetrischen Halterung der Wendel bzw. Wickel versehen. Dies kann vorzugsweise in der Art geschehen, daß die Halterungsmittel in Form eines beispielsweise loch- oder nutförmigen Hohlraumes ausgebildet sind. Als Gegenführungsglieder werden dann der trichter- bzw.
• rinnengrundferuste Punkt der Rohrleitung mit Rastmitteln versehen, die den Halterungsmitteln in der Abdeckung zugeordnet sind und die vorzugsweise zapfen-oder schienenförmig ausgebildet sind.
• Zweckmäßigerweise wird dafür Sorge getragen, daß die äußere Wendelfläche eine glatte zylindrische Fläche bildet. Dies kann bei Verwendung von im Querschnitt kreisförmigen Rohrmaterial dadurch erreicht werden, daß die sich bei der Wendelung erg-ebenden Einbuchtungen mit einem gut wärmeleitfähigen Material ausgefügt werden.
• Zweckmäßiger ist es jedoch, als Rohrleitungsmaterial ein Profilrohr zu verwenden, das mindestens eine ebene Fläche besitzt und die Wendelung so vorzunehmen, daß diese ebene Fläche auf die Außenseite der Wendel gelangt. Ein solches Profil kann beispielsweise ein Dreiecks- oder Vierecksprofil sein. Um die Wärmerezeption der Wendelrohrleitung zu erhöhen, empfiehlt es sich, die Außenfläche zu schwärzen und/oder zu rauhen. Dazu kann gut wärmeleitendes Schwärzungsmaterial verwendet werden oder das metallische Rohrmaterial durch chemische Verbindungen geschwärzt werden. Statt metallischer Rohre können auch Wendeln oder Wickel aus Glas oder anderem durchsichtigen Material verwendet werden; es ist dann jedoch zweckmäßig, ein Durchflußmedium aus oder mit licht- bzw. wärmeabsorbierenden Stoffen (also z.B.
• schwarze Flüssigkeit) zu verwenden. Die Wärmespeicherung erfolgt in Spezialtanks.
• Als aufheizbare-s Medium wird eine Flüssigkeit mit einem unter Normalbedingungen bei 1000C oder darunterliegenden Siedepunkt verwendet. Die Verwendung von Wasser empfiehlt sich vor allem immer dann, wenn mit einem geschlossenen System mit Wärmetauscher gearbeitet wird.
• In solchen Fällen ist es ja beabsichtigt, innerhalb des Primärsystems keine Dampfentwicklung entstehen zu lassen. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise eine Steuerung benutzt, die bei Anwachsen der Wassertemperatur die Umlaufgeschwindigkeit erhöht und im Gefahrenfall eine Abdeckung des Kollektors oder sein Herausschwenken aus der Strahlung erzwingt. Auch bei Verwendung von offenen Systemen zur Erzeugung von Dampf zur Verwendung in einer Dampfmaschine wird am zweckmäßigsten Wasser als Medium verwendet. Der Mediumdurchsatz muß sich in solchen Fällen an dem Wärmeangebot orientieren. Überall dort, wo es nur darauf ankommt, mittlere Temperaturen zu erreichen, z.B. für die Heizung von Gewächshäusern, Swimmingpools oder Brauchwasser (oder Winterbetrieb für Heizwassergewinnung), kann auch mit niedrigsiedenden Medien in geschlossenen Systemen gearbeitet werden. Bei den vorgestellten Ausführungen kann auf einfache und billige Art für den Austausch verbrauchter (z.B. korrodierter) Rezeptoren gesorgt werden, indem man eine für das Auswechseln von Glühlampen in Reflektoren bekannte Konstruktion verwendet.
• Nachfolgend wird anhand einer Figur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.
• In der Figur ist mit 1 ein Trichter bezeichnet, dessen Trichterwände 2 mit der Rotationsachse 3 des Trichters einen Winkelotvon 450 einschließen. Die Trichterflächen sind im Bereich der Trichterspitze nach Art eines geraden Kreiskegelstumpfes abgeflacht und bilden den Trichtergrund 4. Die Trichterinnenwände .sind mit einer wärmereflektierenden Schicht versehen, die den eigentlichen Reflektor 5 bildet. Zur schematischen Darstellung ist der parallel zur Rotationsachse 3 einfallende Wärme strahl 6 eingezeichnet, der am Reflektor 5 umgelenkt wird und senkrecht auf die koaxial zur Rot'am tionsachse achsnah angeordnete Wendel 7 fällt. Die Wendel ist der Teil einer Rohrleitung in einem offenen oder geschlossenen System. Sie besitzt zwei Anschlüsse 8 und 9 jenseits des Trichtergrundes 4. Der Anschluß 8 ist für die Zuführung des aufzuheizenden Mediums vorgesehen, während der Anschluß 9 zur Abführung des aufgeheizten Mediums dient. Wie aus der Figur leicht ersichtlich, steigt die Wendel mit ihrem dem Zuführungsanschluß 8 benachbarten Teil vom Trichtergrund 4 wendelförmig bis in die Öffnungsebene 10 des Trichters an und verläuft dann im Innern der Wendel abwärts zum Anschluß 9 hin.
• Somit immer trichtergrundfernste Punkt der Wendel mit dem Anschluß 9 für das aufgeheizte Medium verbunden.
• Die Weite der Öffnungsebene 10 ist mit a bezeichnet; der Wendeldurchmesser mit b.
• Für die Halterung des Gesamtsystems ist das Formstück 11 vorgesehen, das sowohl am Trichtergrund wie auch an den beiden Rohrleitungsteilen, die sich unterhalb des Trichtergrundes befinden, angeordnet ist. Das Formstück weist eine Lagerschale 12 auf, die ihrerseits in einem Kugellagerring 13 sitzt. Das Formstück 11 kann mit einem stäförmigen Gegengewicht 14 versehen sein, wodurch erreicht ist, daß die Gesamtanordnung gewichtsausgeglichen in den Kugellager ruht und leicht in die für den Betrieb richtige Stellung gebracht werden kann.
• Der Leitungsteil ist an der Stelle, wo er in das Innere der Wendel taucht, mit einem Zentrierzapfen 15 versehen, der in ein Zentrierloch 16 eingreift, welches in einer Abdeckplatte 17 vorgesehen ist. Die Abdeckplatte besteht aus wärmestrahlungsdurchlässigem Material (Glas) und verhindert eine Beschädigung der Reflektorschicht 5, indem.
• sie Schmutz, Regen, Wind u. dgl. von ihr fernhält. Die Abdeckplatte kann in der Weise totalreflektierend ausgebildet sein, daß sie ankommende Sonnenstrahlung durchläßt, die einmal hineingelassene Strahlung aber nicht mehr nach außen herausläßt. Dieselbe Wirkung kann erreicht werden, wenn die Wendeln oder Wickel derart totalreflektierend ausgebildet werden oder über ihnen ein entsprechend ausgebildeter (Glas)sturz (nach Art eines Petroleumlampensturzes) angeordnet wird.
• Die Wendel besteht zweckmäßigerweise aus Profilrohr mit mindestens einer ebenen Fläche; diese Fläche ist in der Wendel bzw. im Wickelpaket derart angeordnet, daß die zu bestrahlende Fläche des Rohrleitungsteiles eine gerade oder gekrümmte praktisch ununterbrochene-Fläche ergibt. Ein kleiner Teil einer solchen Wendel ist herausgezeichnet, wobei eine ebene Fläche des verwendeten Dreiecksprofils mit 18 bezeichnet ist.
• Die aneinandergrenzenden Profilflächenteile 18 ergeben dann bei der Wendelung die geschlossene Außenfläche 19 der Wendel.
• Die Einrichtung kann selbstverständlich mehrfach vorgesehen werden, z.B. als größeres Reflektorfeld, wobei dann zweckmäßig eine Steuerung zur gemeinsamen Ausrichtung aller Einzel einrichtungen auf die Strahlenquelle verwendet wird.
• Zusammenfassung Einrichtung zur Ausnutzung von Wärmestrahlung, insbesondere der Sonne Sonnenkollektor, bestehend aus einem spiegelsymmetrischen Reflektor und in der Brennlinie oder Brennebene angeordneten Rezeptorsystem. Der Rezeptor umfaßt eine Wendel aus Rohrmaterial, die von einem energieübertragenden flüssigen Medium durchströmt wird. Bei Verwendung eines trichterförmigen Reflektors steigt die Wendel vom "kalten" Anschluß vom Trichtergrund aus an, während der "heiße" Anschluß über eine Leitung zum oberen Wendelende führt, die durch das Wendelinnere verläuft.
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Claims (24)

1. r Patentansprüche /1 o zur Einrichtung zur Ausnutzung von Wärme strahlung, insbesondere der Sonne, bestehend aus einem Strahlenkollektor und einem Rezeptorsystem für die gesammelte Strahlung, das ein aufheizbares Medium zur direkten oder indirekten Energieübertragung enthält, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß- als Strahlenkollektor ein die Strahlung in einer geraden oder gekrümmten Linie (13) oder Ebene sammelnder Reflektor (5) benutzt ist und daß als Rezeptor in der Linie bzw. Ebene mindestens ein Teil einer das aufheizbare Medium enthaltenden Rohrleitung (7-8-9) angeordnet ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß als Kollektor ein rotationssymmetrischer, trichterförmiger Reflektor (1) benutzt ist und der zu bestrahlende Teil der Rohrleitung als Wendel (7) ausgebildet ist, die koaxial zur Rotationsachse (3) des Trichters achsnah angeordnet ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, d a du r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß als Kollektor ein symmetrischer, rinnenförmiger Reflektor benutzt ist und der zu bestrahlende Teil der Rohrleitung in der Symmetrieebene der Rinne als Zick-Zack-Wickel ausgebildet ist.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der zu bestrahlende Rohrleitungsteil im Bereich des Trichter- bzw. Rinnengrundes (4) åe einen Anschluß (8, 9) für das aufzuheizende und das aufgeheizte Medium besitzt, wobei das vom Anschluß für das aufzuheizende Medium ausgehende Rohrleitungsstück vom Trichter- bzw. Rinnengrund wendel- bzw. wickelförmig nach oben zum trichter- bzw.

   rinnengrundfernen Teil ansteigend angeordnet ist und der trichter- bzw. rinnengrundfernste Punkt der Rohrleitung auf kürzestem Weg mit dem Anschluß (9) für das aufgeheizte Medium verbunden ist.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 2 und 4, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der trichtergrundfernste Punkt der Wendel mit dem Anschluß (9) für das aufgeheizte Medium mittels eines Rohrleitungsteiles verbunden ist, der durch das Innere der Wendel (7) hin durch verlaufend angeordnet ist.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Trichter- bzw.

   Rinnenwandungen (2) mit der Symmetrieachse bzw. -ebene einen Winkel (ap) von 450 bilden.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, -d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Trichter- bzw.

   Rinnenwandungen derartig ausgebildet sind, daß sie mit der Symmetrieebene kontinuierlich oder stufig zum Trichter- bzw. Rinnengrund hin immer größere Winkelgrade bilden.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Trichter- bzw.

   Rinnenöffnung (a; 10) mit einer für die Wärmestrahlung durchlässigen Abdeckung (17) abgedeckt ist.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Abdeckung mit Mitteln (16) zur rotationssymmetrischen bzw. spiegelsymmetrischen Halterung der Wendel bzw. Wickel versehen ist.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 9, d a du r c h g e -k e n n z e i c h--n e t, daß der trichter- bzw. rinnengrundfernste Punkt der Rohrleitung mit Rastmitteln (15) versehen sind, die den Halterungsmitteln zugeordnet sind.
11. 11. Einrichtung nach Anspruch 10, d a du r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Halterungsmittel in Form eines beispielsweise loch- oder nutförmigen Eohlraumes und die Rastmittel zapfen- bzw. schienenförmig ausgebildet sind.
12. 12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3 bis 11, d a du r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß mindestens der zu bestrahlende Teil der Rohrleitung ein Profil mit mindestens einer ebenen Fläche (18) aufweist und daß diese Fläche in der Wendel bzw. im Wickelpaket derart angeordnet ist, daß -die zu bestrahlende Fläche des Rohrleitungsteiles eine gerade oder gekrümmte praktisch ununterbrochene Fläche (19) ergibt.
13. 13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der.zu bestrahlende Rohrleitungsteil zur optimalen Wärmerezeption geschwärzt und/oder gerauht ist.
14. 14. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Rohrleitung aus gut wärmeleitendem Material, vorzugsweise Kupfer, besteht.
15. 15. Einrichtung nach Anspruch 13 und 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Rohrleitung mittels gut wärmeleitendem Material oder durch metallische Rohrmaterialverbindungen geschwärzt ist.
16. -16. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als aufheizbares Medium eine Flüssigkeit mit einem unter Normalbedingungen bei 1000C oder darunter liegenden Siedepunkt verwendet ist.
17. 17. Einrichtung nach Anspruch 4, d a d.u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Anschlüsse (8, 9) für das aufzuheizende Medium in einem geschlossenen System mit Wärmetauscher angeordnet sind.
18. 18. Einrichtung nach Anspruch 5, d a du r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Anschlüsse für das aufzuheizende Medium in einem offenen System liegen, das einerseits einen Anschluß für die Zuführung des Mediums enthält und andererseits ineine das aufgeheizte, vorzugsweise dampfförmige, Medium nutzende Einrichtung-(Dampfmaschine) mündet.
19. 19. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die maximale Trichter- bzw. Rinnenweite (a) etwa 10 bis 100 mal, vorzugsweise 50 mal, größer ist als der Durchmesser der Wendel bzw. der Dicke des Wickels.
20. 20. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der in den Kollektor-hineinreichende Teil des Rezeptorsystems austauschbar ist, indem eine für das Auswechseln von Glühlampen in Reflektoren bekannte Konstruktion verwendet wird.
21. 21. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t, daß mindestens der zu bestrahlende Rohrleitungsteil aus Glas oder anderem durchsichtigen Material besteht.
22. 22. Einrichtung nach Anspruch 21, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, dafl als aufheizbares Medium eine Flüssigkeit aus oder mit licht- bzw. wärmeabsorbierenden Stoffen verwendet ist.
23. 23. Einrichtung nach Anspruch 8, d a du r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Abdeckung mit einseitig wirkenden Mitteln zur Totalreflexion von Wärmestrahlung versehen ist, die einen Austritt von Wärmestrahlung aus dem Innern des Kollektors verhindern, den Eintritt aber nicht behindern.
24. 24. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Rezeptorleitung einseitig wirkende Mittel zur Totalreflexion von Wärme strahlung zugeordnet sind, beispielsweise ein Glassturz mit aufgedampfter Reflexionsschicht, die den Eintritt von Wärme strahlung zum Rezeptor erlauben, eine Abstrahlung vom Rezeptor nach außen aber verhindern.