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Vorrichtung zur Absorption von Solarwärme
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Absorption von Solarwärme,
wobei ein von innen verspiegeltes Hohlkegel system die Sonnenstrahlung in Richtung
der Kegelachse reflektiert und die Sonnenstrahlen senkrecht zu der zur Sonne geneigten
Kegelgrundfläche einfallen.
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Vorrichtungen der genannten Art sind bisher 7e nach Anwendungsfall
sehr verschiedenartig.
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Im Niedertemperaturbereich werden einfache Flachkollektoren sowie
sogen. CPC-Kollektoren (Compound Parabolic Ccncentrator) verwendet. Diese erreichen
nur geringe Konzentrationsfaktoren von 2 bis etwa 10 und Temperaturen von 1500C
bis etwa 2500C.
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Der mittlere Exergiebereich kann durch Parabol- und Lamellenrinnen
erreicht werden. Diese Technik liefert Konzentrationsfaktoren von etwa 25 bis 40
und Temperaturen von etwa 4000C.
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Anlagen zur Erzeugung von Prozeßwärme sehr hoher Exer-
gie,
wie Paraboloidspiegel oder Heliostatensysteme mit zentralem Absorber sind erst in
der Entwicklung.
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Über solche Anlagen sollen Konzentrationsfaktoren von etwa 1000 und
Temperaturen von 8000C bis etwa 20000C bei hohen Drücken verwirklicht werden.
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Die genannten bisherigen Absorptionssysteme weisen eine Reihe von
Nachteilen auf: Die Vielzahl der Systeme zum Zwecke der Absorption von Solarwärme
steht einer größeren und damit kostengünstigeren Serien- bzw. Massenfertigung entegegen.
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Diese Systeme zeichnen sich durch hohe Energieverluste und damit durch
schlechte Nutzung der von der Sonne angebotenen Strahlungsenergie aus.
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Im einzelnen sind dies: Cosinus-Verluste bei allen Kollektoren, deren
Einstrahlungsfläche nicht ständig senkrecht zur Sonnenstrahlung ausgerichtet ist.
Die Energieverluste sind um so größere flacher der Einstrahlungswinkel ist.
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Besonders hoch sind die Cosinus-Verluste bei fest ausgerichteten Flachkollektoren.
Endverluste bei Ost/Westausgerichteten Rinnen entstehen bei schrägem Einfall der
Sonnenstrahlung in die offenen Kollektorenden durch tote Zonen.
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Schattenverluste treten beim Flachkollektor aufgrund der schrägen
Einstrahlung und beim Ost/Westausgerichteten CPC-Rollektor auf. Ebenso verursacht
die Glasummantelung des Absorbers und dessen Isolation Schattenverluste.
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Verluste durch ungenaue Fertigung der Spiegelkontur werden besonders
groß bei hohen Konzentrationsfaktoren. Hierin liegen insbesondere die Grenzen der
wirtschaftlichen Anwendbarkeit des Paraboloidspiegels
begründet.
Durch fertigungsseitig unvermeidbare Maßabweichungen von der geometrisch exakten
Kontur entstehen Winkelabweichungen des reflektierten Strahls.
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Um eine gute Qualität der Fokussierung zu erreichen, darf die vom
reflektierten Strahl zurückgelegte Wegstrecke zum Absorber nicht zu lang sein. Damit
ergibt sich eine vergleichsweise geringe Leistungsobergrenze.
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Soll mit einem Paraboloidspiegel ein hoher Konzentrationsfaktor erreicht
werden, so wird die Bauweise hoch und schmal, was ein ungünstiges und damit unwirtschaftliches
Verhältnis zwischen Einstrahlungsfläche und teurer Reflektorfläche zur Folge hat
Die Verluste durch Konturungenauigkeiten bestimmen auch stark die optimale Heliostatfeldgröße
beim Sonnenturmkonzept und wirkt für die Gesamtanlage leistungsbegrenzend.
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Verluste durch Wärmeleitung sind bei Flachkollektoren besonders hoch
und erfordern einen hohen Aufwand an Isolation.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Umwandlung
von Solarwärme in technisch verwertbare Energie zur Verfügung zu stellen, welches
die geschilderten Nachteile der bisherigen Anlagen weitgehend vermeidet.
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Darüberhinaus sollen die verschiedenartigen Systeme zu einem einheitlichen
und wesentlich effizienteren System reduziert werden. Damit soll die Voraussetzung
für eine Serien- bzw. Massenproduktion geschaffen werden, die eine wesentliche Kostenersparnis
bei der Fertigung und somit mehr Wirtschaftlichkeit zur Folge hat.
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Die hier vorgeschlagene Vorrichtung soll neben einem hohen Wirkungsgrad
bei kleinen Abmessungen, einfacher Handhabung, ein einheitliches, zentrales und
optimales Sonnennachführungssystem erhalten.
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Die Vorrichtung zur Absorption von Solarwärme soll so gestaltet sein,
daß sich durch entsprechende Parallel- und/oder Hintereinanderschaltung je nach
Bedarf das gesamte technisch nutzbare Energiespektrum abdecken läßt. So sollen durch
den modularen Aufbau Solarkraftwerke verwirklicht werden können, die sich durch
problemlose Wartung, hohe Flexibilität, hohe Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit
auszeichnen.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein vom ohlkegelsystem
konzentrierter Solarenergiestrom in der Nähe der Kegelachse auf einen selektiv beschichteten
Absorber einwirkt, der aus einem von einem Wärmeübertragungsmedium durchflossenen
konzentrisch um die Kegelachse angeordneten Rohr, Doppelrohr oder Wendelrohr gebildet
wird.
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Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß teils durch völliges Vermeiden, teils durch drastische Reduzierung von Verlusten,
wie sie bei bisherigen Systemen zwangsweise entstehen, die Effizienz des Systems
wesentlich gesteigert wird.
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Die Cosinus-Verluste werden gänzlich vermieden. Verluste durch ungenaue
Fertigung der Spiegelkontur wirken nicht leistungsbegrenzend, da bei kleineren Anlagen
mit Rohr oder Doppelrohr als Absorber die von den reflektierten Strahlen zurückgelegte
Wegstrecke zum Absorber kurz ist und der Strahl den Absorber auch bei kleinen Winkelabweichungen.trifft.
Bei sehr großen
Anlagen wird das Treffen der reflektierten Strahlen
auf den Absorber dadurch sichergestellt, daß der Absorber als Wendelrohr ausgebildet
wird und damit eine größere Absorptionsfläche zur Verfügung steht. Verluste durch
sphärische Aberration entstehen hierbei nicht.
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Wegen fehlender Cosinus-Verluste kann über den ganzen Tag, sofort
nach Sonnenaufgang bis zum Sonnenuntergang, die gesamte einfallende Solarwärmeenergie
absorbiert werden.
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Eine besonders hohe Betriebsbereitschaft bei starken Winden ergibt
sich durch die formbedingte Steifigkeit des Hohlkegelsystems. Bei innen angeordnetem
Absorber ergibt sich eine einfache Möglichkeit der Abdeckung der zur Sonne offenen
Grundfläche des Hohlkegelsystems mittels eines lichtdurchlässigen Materials wie
Kunststoffolien oder geeignete Glas sorten zum Schutz der Reflektorflächen gegen
Staub.
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Ein weiterer Vorteil ist der geringere Materialaufwand aufgrund des
günstigen Verhältnisses von Sonneneinstrahlungsfläche zu notwendiger verspiegelter
Innenmantelfläche des Hohlkegelsystems.
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Sowohl durch den geringeren Materialaufwand und damit niedrigeren
Investitionskosten als auch durch die wesentlich effizientere Nutzung der von der
Sonne angebotenen Wärmeenergie ergibt sich eine merkliche Erhöhung der Wirtschaftlichkeit.
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen1 in denen
bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind, nachfolgend erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 das Grundprinzip einer Vorrichtung zur Absorption
von Solarwärme Fig. 2 Grundprinzip eines Hohlkegelsystems mit einem Wendel rohr
als Absorber Fig. 3 GrundprinzIp einer Vorrichtung zur Absorption von Solarwärme
nach parallaktischer Montage Fig. 4 Grundprinzip einer Solarkraftwerksaniage Gemäß
Fig. 1 ist nach dem Grundprinzip der Erfindung ein Hohlkegelsystem(1),ein Absorber(2),feste
Zu- und Ableitungen(3) und (4)eine Speisepumpe (5),Verbindungsleitungen (6):nd (7)
sowie Nachführaggregate(8 ) und(9) vorgesehen. Durch Ankopplung eines Wärmeverbrauchers
an die Zu- undAbleitungen wird der Kreislauf geschlossen.
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Das zugeführte oder eingefüllte Wärmeübertragungsmedium genügt folgenden
Anforderungen: Das Wärmeübertragungsmedium ist verträglich mit metallischen oder
keramischen Kreislaufkomponenten, nicht brennbar, nicht toxisch und billig. Außerdem
muß der Gefrierpunkt je nach geografischem Einsatzgebiet so niedrig sein, daß der
Kreislauf im Winter nicht entleert werden muß.
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Ein Wärmeübertragungsmedium, welches den
genannten
Anforderungen genügt, ist z.B. Luft oder Wasser mit oder ohne gefrierpunktherabsetzende
Beimischungen.
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Im einzelnen arbeitet der Kreislauf wie folgt: Die mit Q SOLAR bezeichnete
senkrecht zur Grundfläche des innen verspiegelten Hohlkegelstumpfes (1) einfallende
Sonnenstrahlung wird unter 90 Grad reflektiert und vom konzentrisch um die Rotationsachse
angeordneten Absorber-Doppelrohr (2) aufgenommen. Der umgelenkte Solarenergiestrom
erfährt aufgrund des Verhältnisses von großer Einstrahlungsfläche zu kleiner Absorptionsfläche
eine hohe Konzentration. Der Konzentrationsfaktor, dargestellt durch das Verhältnis
von Einstrahlungsfläche zu Absorptionsfläche kann theoretisch beliebig hoch gewählt
werden. In der Praxis wird er im wesentlichen begrenzt durch Fertigungsungenauigkeiten
des Reflektors und die Warmfestigkeit des Absorbermaterials.
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Das Außenrohr überträgt die aufgenommene Solarenergie an ein Wärmeübertragungsmedium,
das über den Ringspalt zwischen Innen- und Außenrohr eingespeist wird und durch
das Innenrohr rückgeführt wird. Der Strömungsweg kann auch umgekehrt verlaufen.
Dabei kann es in bestimmten Fällen vorteilhaft sein, für das Innenrohr Werkstoffe
schlechter Wärmeleitfähigkeit zu wählen.
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In Fig. 2 ist eine andere Ausgestaltung des Absorbers dargestellt,
welche sich bevorzugt für Anlagen zur Erzeugung von Wärme höherer Exergie eignet.
Hier besteht das Reflexionssystem aus mehreren, sich aneinanderreihenden Hohlkegelstümpfen
(10) mit gemeinsamer Rotationsachse. Die Neigungswinkel der einzelnen innen ver-
spiegelten
Kegelmäntel sind so ausgeführt, daß die senkrecht zur Grundfläche der Kegel einfallende
Sonnenstrahlung Q SOLAR derart reflektiert und konzentriert wird, daß sie stets
auf einen allen Kegeln gemeinsamen zentralen Absorber (11) treffen. Dieser Absorber
ist als Wendelrohr ausgebildet, dessen einzelne Wendeln abstandslos aneinander liegen
und deren Durchmesser sich annähernd zylinderförmig in Richtung Kegelgrundfläche
aufweiten. Die Verlängerung der obersten Wendel wird als Geradrohr konzentrisch
durch die Rotationsachse zurückgeführt, um den Kreislauf des Wärmeübertragungsmittels
zu schließen. Dabei kann das innere Zentralrohr wahlwelse als Zu- oder Rücklauf
ausgeführt werden.
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Der Wendelrohrabsorber erstreckt sich über die Höhe des obersten Kigelstumpfes,
dessen Neigungswinkel 45 Grad zur Rotationsachse beträgt. Das gemäß Fig. 2 beschriebene
Konzept bietet gegenüber der gemäß Fig. 1 dargestellten Variante folgende Vorteile
hinsichtlich großer Kegeldurchmesser: Es ergibt sich eine Spiegelmaterialeinsparung
bei gleicher Sonneneinstrahlunysfläche. Der mittlere Durchmesser des Absorbers kann
wegen seiner geringeren Höhe größer gewählt werden, sodaß Fertigungsungenauigkeiten
in der Spiegelkontur sich nicht so stark auswirken. Der Durchmesser des Wendelrohres
selbst kann klein sein; dadurch können größere Strömungsgeschwindigkeiten erreicht
werden, was sich positiv auf die Wärmeübertragung von der Rohrwand auf das Wärmeübertragungsmedium,
insbesondere bei Verdampfungsprozessen auswirkt.
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Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Absorption von Solarwärme bei parallaktischer
Montage. Im Gegensatz zur azimutalen Montage, bei der wegen der schräg zum
Horizont
verlaufenden Sonnenbahn die Nachführung der Vorrichtung durch gleichzeitiges Verstellen
sowohl um die horizontale als auch um die vertikale Achse geschieht, ist bei der
parallaktischen Montage der Nachführungsmechanismus im wesentlichen nur auf die
Drehrichtung um eine Achse (P) beschränkt. Da diese Achse parallel zur Erdachse
ausgerichtet ist, wird die Vorrichtung um diese ortsfeste Achse täglich der Reaszension
der Sonne nachgeführt.
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Die Neigung des Hohlkegelsystems gegen die feste auf den nördlichen
bzw. südlichen Himmelspol gerichtete Drehachse muß im Laufe des Jahres entsprechend
der Deklination der Sonne korrigiert werden. Der maximale Winkel, um den das System
im Laufe eines halben Jahres gegen die Drehachse verschwenkt werden muß, entspricht
dem Neigungswinkel der Ekliptik gegen den Äquator.
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Hier ist eine ständige Kontrolle und gegebenenfalls Korrektur durch
einen Sensor vorgesehen. Dies liegt weniger an der unvollkommenen Elektronik oder
Mechanik, sondern am Einfluß der Strahlenbrechung, der in geringerer oder größerer
Höhe über dem Horizont und mit sich änderenden Wetterbedingungen verschieden ist.
Der Sensor ist dabei so konzipiert, daß er nicht wie bei üblichen optischen Verfahren
auf ein schmales Frequenzband aus dem Energiespektrum der Sonne reagiert, sondern
als solare Wärmesonde das gesamte Frequenzspektrum der solaren Wärmeeinstrahlung
erfaßt. Dieses Verfahren ermöglicht eine optimale Ausrichtung des verspiegelten
Hohlkegel systems zur integralen Energieeinstrahlung der Sonne. Die Wärmesonde erlaubt
auch eine ständige Kontrolle der Solarwärmeleistung.
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In Fig. 4 ist das Grundprinzip eines Solarkraft-
werkes
dargestellt. Gemäß der Erfindung können zur Erzielung einer hohen Exergie des Wärmeubertragungsmediums
die einzelnen Vorrichtungen zur Absorption von Solarwärme (12 ) mittels Rohrleitungen
parallel bzw. hintereinander geschaltet werden. Das in einer Sammelleitung (13 )
zusammengeführte Wärmeübertragungsmedium kann dann zum Zwecke der Stromerzeugung
einer Wärmekraftmaschine (14 ) zugeführt werden. Ein solches Bausteinnrinzip erlaubt
mit Hilfe von Bypassleitungen (15 ) den Ausfall oder die Wartung eines oder mehrerer
Vorrichtungen ohne nennenswerte Leistungsminderung der gesamten Anlage.
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Zusammenfassung Vorrichtung zur Absorption von Solarwärme Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zur Umsetzung von solarer Wärmestrahlung in technisch
nutzbare Energie.
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Dabei wird die Sonneneinstrahlung von einem innen verspiegelten Hohlkegelsystem
(1) unter definierten Winkeln reflektiert und in Richtung Rotationsachse stark gebündelt.
Der konzentrierte Energiestrom wirkt auf einen selektiv beschichteten Absorber (2)
ein, welcher um die Rotationsachse angeordnet ist und aus einem Rohr, Doppelrohr
oder Wendelrohr besteht.
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Vom Absorber wird die Wärme an ein Arbeitsmedium übertragen, welches
den Absorber durchströmt und aus einem Gas, z.B. Luft, oder einem Fluid, z.B. Wasser,
besteht.
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Reflexions- und Absorbersystem werden gemeinsam der täglichen Sonnenbahn
nachgeführt, derart, daß die Kegelgrundflächen immer senkrecht zur solaren Einstrahlung
gerichtet sind. Damit wird während der gesamten Tageszeit die zur Verfügung stehende
Sonneneinstrahlung optimal genutzt, im Gegensatz zu bisher verwendeten Systemen
(Flachkollektoren, Lamellenrinnen, Heliostatsysteme), bei denen teilweise große
Verluste durch schräge Einstrahlung auftreten.
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Die Anwendungen reichen je nach Dimensionierung vom Niedertemperaturbereich,
z.B. Gewinnung von Heizwasser, bis zur Erzeugung hoher Exergien zum Zwecke der Stromerzeugung.
Die Vorrichtung zeichnet sich durch hohe Flexibilität, Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit
aus. Sie kann modular zu beliebig großen Leistungseinheiten zusammengestellt werden
(Fig. 1).