DE2937523A1

DE2937523A1 - Vorrichtung zur ausnutzung der sonnenenergie

Info

Publication number: DE2937523A1
Application number: DE19792937523
Authority: DE
Inventors: Llorach Alfredo Benlloch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-09-22
Filing date: 1979-09-17
Publication date: 1980-04-03
Also published as: FR2436947A1; IL58249A0; GB2034877A

Description

Vorrichtung zur Ausnutzung der Sonnenenergie Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausnutzung der Sonnenenergie mit wenigstens einem konkaven Reflexionselement, in dessen Abbildungspunkt ein die Sonnenstrahlung absorbierendes Element angeordnet ist, das von einem Fluid durchströmt wird. Insbesondere betrifft die Erfindung Verbesserungen an Vorrichtungen dieser Art, wie sie in den spanischen Erfindungspatenten Nr. 45 45 76 und Nr. 46 34 13 beschrieben sind. Diese Verbesserungen betreffen insbesondere die Gestalt der reflektierenden Oberflächen und die Ausgestaltung des Sonnenkollektors.

Vorrichtungen dieser Art sind bereits bekannt, die statische bzw. feststehende, reflektierende Oberflächen aufweisen oder deren reflektierende Oberflächen eine begrenzte, an den Sonnenstand im Verlauf der Jahreszeiten angepaßte Verschiebung durchführen. Diese reflektierenden Oberflächen dienen dazu, das Sonnenlicht auf ein Sammelelement (Kollektor) zu konzentrieren, um dort mittlere bis hohe Temperaturen zu erzeugen. Diese bekannten Vorrichtungen weisen wenigstens die nachstehenden Nachteile auf.

Sofern die reflektierenden Oberflächen durch umlaufende Flächen gebildet sind, werden die Sonnenstrahlen daran mehrmals reflektiert, so daß notwendigerweise erhebliche Wärmeverluste auftreten; dies trifft beispielsweise für halbkugelige Flächen,

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sog. Trombe-Mainell-Flächen und andere vergleichbare Flächen zu.

Sofern diese reflektierenden Flächen andererseits zylindrische, parabolischer kugelförmige oder eine sonstig gekrümmte Gestalt haben, tritt neben anderen vor allem der Nachteil auf, daß hohe Konzentrationsverhältnisse nicht erzielbar sind, was jedoch zur Erzielung hoher Temperaturen unerläßlich ist.

In gleicher Weise lösen die Spiegel mit sog. diskontinuierlicher Russel-Archimedes-Fläche das anstehende Problem nicht, da diese Spiegel einen Teil ihrer Arbeitsfläche durch teilweise überlagerung von anderen Bauteilen einbüßen.

Bislang zeigen die Kollektoren von Vorrichtungen zur Ausnutzung der Sonnenenergie durch Umwandlung von Strahlung in Wärme einen hohen prozentualen Kalorienverlust als Folge von Zurückweisung, Konvektion, Leitung und Reflexion des Sonnenlichtes an der absorbierenden Oberfläche selbst sowie als Folge weiterer Schwierigkeiten.

Es sind Anstrengungen unternommen worden, diese Probleme zu lösen; in einigen Fällen konnten die auf Zurückweisung und Konvektion zurückführbaren Verluste teilweise reduziert werden.

Die vorliegende Erfindung ist auf eine Lösung dieser Schwierigkeiten gerichtet.

Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten ist die Reflexionsfläche der erfindungsgemäßen Vorrichtung, selbst wenn sie eine solche Gestalt aufweist, wie sie für umlaufende Flächen vorgesehen wird, so ausgebildet, daß sie anstelle eines Brennoder Abbildungspunktes eine Zone oder einen Fleck der reflek-

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tierten Sonnenstrahlung erzeugt, unabhängig vom Einfallswinkel dieser Sonnenstrahlung (was naturgemäß nur für vorgegebene Auftreffwinkel gelten kann).

Diese Brennzone kann zweckmäßigerweise eine solche Flächenausdehnung haben, die für jeden gegebenen Zeitpunkt einem vorgegebenen Konzentrationsverhältnis entspricht.

Entsprechend der vorgesehenen Ausbildung der Reflexionsfläche kann die Stelle der Brennzone längs einer Bewegungsbahn bzw. Trajektorie unterschiedlich sein, was von unterschiedlichen Einfallswinkeln der Sonnenstrahlung abhängt.

Dank dieser Erfindung lassen sich die Verluste durch Zurückweisung und Konvektion auf einen Minimalwert verringern; ferner läßt sich der Wirkungsgrad der Umwandlung von Sonnenlicht in Wärme merklich steigern, so daß insgesamt deutlich bessere Ergebnisse erhalten werden. Diese Verbesserung wird durch eine Vervielfachung der das Sonnenlicht absorbierenden Fläche um einen hohen Faktor erzielt, durch sowohl einfache wie wirtschaftliche Maßnahmen, so daß insgesamt eine hohe Steigerung der Wirtschaftlichkeit von Vorrichtungen, Ausrüstungen und Einrichtungen zur Ausnutzung von Sonnenenergie erzielt werden.

Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung soll das die Sonnenstrahlung in Wärmeenergie umwandelnde, absorbierende Element aus faserförmigem Material bestehen bzw. einen faserförmigen Aufbau aufweisen, das bzw. der die Eigenschaften eines schwarzen Körpers besitzt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 10 im einzelnen erläutert; es zeigt:

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Fig. 1 in schematischer Schnittdarstellung

^{und 2} beispielhafte Reflexionsflachen mit dem

jeweiligen Verlauf der Sonnenstrahlung bei unterschiedlichen Einfallswinkeln;

Fig. 3 verschiedene AusfUhrungsformen des Sonnen-

^{und 4} kollektors;

Fig. 5 verschiedene Ausführungsformen der Licht-

^{und 6} fokussierung für den Kollektor nach Fig. 4;

Fig. 7 schematisch in Längs- und Querschnitt den

^{und 8} Aufbau eines Kollektors; ·

Fig. 9 in einer Draufsicht einen kugelförmigen

Kollektor; und

Fig. 10 ebenfalls in schematischer Draufsicht

einen kugelförmigen Kollektor mit anderer Anordnung des absorbierenden Elementes.

Die mit Fig. 1 dargestellte Reflexionsfläche 1 ergibt eine halbkreisförmige Bewegungsbahn oder Trajektorie für die Brennzone 2; diese Brennzone 2 kann beispielsweise nach Reflexion an der Fläche 1 im Bereich des Punktes 2a gebildet werden, sofern der Sonnenstrahl 3 an der Reflexionsfläche unter einem Winkel von 30° auf die Reflexionsfläche auftrifft; andererseits kann diese Brennzone 2 im Bereich des Punktes 2b gebildet werden, sofern der Sonnenstrahl 3¹ unter einem Winkel von 0°, d. h. ohne Neigung auf die Reflexionsfläche trifft.

Die mit Fig. 2 dargestellte Reflexionsfläche 1¹ ergibt eine gerade Bewegungsbahn für die Brennzone 2'.

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Ersichtlich kann die Bewegungsbahn oder Trajektorie dieser Brennzone auch einen anderen Verlauf haben, was von der Gestalt der Reflexionsfläche abhängt; zweckmäßigerweise wird die Gestalt der Reflexionsfläche und damit auch der Verlauf der Bewegungsbahn der Brennzone von den Mitteln zur Verschiebung des Kollektors bestimmt, welcher der Bewegungsbahn dieser Brennzone folgen muß.

Die Bestimmung der Matrixkurve zur Auswahl der umlaufenden Reflexionsfläche kann dadurch erfolgen, daß man aufeinanderfolgende geometrische Punkte auswählt, welche die oben angegebenen Bedingungen erfüllen; dies kann beispielsweise mittels Karten, mathematischer Analyse oder sonstiger z-weckmäßiger Mittel erfolgen. Die ausgewählten Punkte dienen dann zur Festlegung einer Kurve, welche die ausgewählten Bedingungen erfüllt, und die aus dieser Kurve erhaltene, umlaufende Fläche weist die erforderlichen optischen Eigenschaften auf, wie sie mit den Fig. 1 und 2 dargestellt sind.

Diese Reflexionsflächen sind im Hinblick auf ihre praktische Anwendung zweckmäßigerweise entsprechend der Projektion eines Vielecks, etwa eines Quadrates, geschnitten, so daß die verfügbare Größe des reflektierenden Elementes maximal ausgenutzt wird, wie das im einzelnen im spanischen Erfindungspatent Nr. 46 34 13 angegeben ist.

Der Sonnenkollektor 4 wird zweckmäßigerweise in einer beweglichen Anordnung vorgesehen, wobei die Bewegungsrichtung möglichst gut an die Besonderheiten der Reflexionsfläche angepaßt ist, was sowohl in Verbindung mit einer gekrümmten Trajektorie 2 oder mit einer geraden Brennzone 2' verwirklicht werden kann (vgl. Fig. 3). Der Aufbau eines solchen Sonnenkollektors ist ebenfalls in dem spanischen Erfindungspatent

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Nr. 46 34 13 angegeben; ein solcher Kollektor kann mit geeigneten Mitteln verschoben werden.

Mit Fig. 4 ist derjenige Fall angedeutet, wo der Kollektor 4¹ lediglich für eine solche Verschiebung vorgesehen ist, die an den unterschiedlichen Sonnenstand im Verlauf der Jahreszeiten angepaßt ist. In diesem Falle soll der Kollektor eine längliche Gestalt haben, welche die Bewegungsbahn der Brennzone im Verlauf der täglichen Sonnenbewegung einschließt; diese Gestalt des Sonnenkollektors hängt darüberhinaus von der Art der ausgewählten Reflexionsfläche ab.

Die Wirksamkeit der Kollektoren 4 und 4¹ kann weitär gesteigert werden, wenn deren Innenraum in eine Anzahl gegenüberliegender Abteile 5 aufgeteilt wird, die in Form einzelner Zellen fortschreitend die Wirkung der Brennzone aufnehmen. Jede dieser Zellen weist einen Einlaß 6 und einen Auslaß 7, der letztere mit einem thermostatischen Ventil 8 versehen, auf, für die Zuführung und Abführung des wärmetransportierenden Fluids. Auf diese Weise muß die fortschreitende Brennzone lediglich einen kleineren Anteil des Fluids erwärmen, so daß dieses in kürzerer Zeit auf hohe Temperaturen gebracht wird (vgl. Fig. 7) .

Bei der Darstellung nach Fig. 4 erfolgt die an den jahreszeitlich unterschiedlichen Sonnenstand angepaßte Verschiebung des Kollektors 4¹ längs einer geraden Linie; entsprechend der Darstellung nach Fig. 6 erfolgt diese Verschiebung längs einer gekrümmten Linie. Alle diese Alternativen lassen sich durch eine entsprechende Auswahl der Form und Gestalt der Reflexionsfläche 1 verwirklichen.

Darüberhinaus kann die entsprechende Verschiebung des Kollektors 4¹, damit dieser das ganze Jahr über den jahreszeitlich bedingten Veränderungen der Sonnenbewegung und der daraus resultie-

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renden Bewegungsbahn der Brennzone folgen kann, auch durch eine Ausbalancierung der gesamten Reflektor/Kollektor-Anordnung erfolgen (vgl. Fig. 5).

Sofern andererseits sowohl der Reflektor wie der Kollektor völlig feststehend bzw. statisch angeordnet sind, muß die Fläche des Kollektors so ausgewählt werden, daß sie sämtliche möglichen Stellungen der Brennzone abdeckt, die im Verlauf eines Jahres durch den unterschiedlichen Sonnenstand auftreten können. In diesem Falle soll der Kollektor 4¹¹, selbst wenn er den gleichen Aufbau wie der dargestellte Kollektor 4¹ besitzt, eine größere Fläche besitzen, und ist daher in einem größeren Ausmaß der direkten Sonneneinstrahlung· ausgesetzt.

Diese Situation kann zweckmäßigerweise ausgenutzt werden, um eine Vorheizung des wärmetransportierenden Fluids iu verwirklichen. Zu diesem Zweck ist auf der Oberseite dieses Kollektors ein weiterer Kollektor 4*'a angeordnet, der einen der direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzten, absorbierenden schwarzen Körper 9 aufweist; dieser schwarze Körper 9 ist gegenüberliegend zum absorbierenden Körper 10 angeordnet, der seinerseits die von der Reflexionsfläche reflektierte Sonnenstrahlung aufnimmt. Der schwarze Körper 9 ist mittels eines Dewargefäßes 11 isoliert; in gleicher Weise ist der schwarze Körper 10 mittels eines Dewargefäßes 12 isoliert. Die genannte Anordnung ist ferner durch eine transparente Abdeckung 13 geschlitzt, die in gleicher Weise auch zum Schutz des Kollektors 4¹¹ vorgesehen werden kann. Bei dieser Anordnung wird das im Kollektor 4*'a vorgeheizte, wärmetransportierende Fluid mittels geeigneter Leitungen in den Kollektor 4¹¹ eingeführt und dessen absorbierendem Körper 10 zugeführt.

Bei bekannten Anlagen mit einem konzentrierenden Spiegel mit halbkugelförmiger (bzw. becherförmiger) umlaufender Reflexions-

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fläche wird häufig ein Sonnenkollektor verwendet, der aus einem analer Außenseite geschwärzten Metallgefäß besteht, durch dessen Innenraum das wärmetransportierende Fluid strömt; ein solcher Kollektor wird zweckmäßigerweise im Brennpunkt des konzentrierenden Spiegels angeordnet. Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, von solchen Sonnenkollektoren abzugehen und statt dessen einen transparenten Kollektor 4a (vgl. Fig. 9) vorzusehen, innerhalb dessen und in ein wärmetransportierendes Fluid eingebettet eine faserförmige Füllung 14, vorzugsweise metallischer Natur, angeordnet ist, deren Oberfläche mit einem die Sonnenstrahlung absorbierenden Belag (beispielsweise Chromschwarz) bedeckt ist, so daß diese faserförmige Füllung gute Eigenschaften eines schwarzen Körpers aufweist.· Dieses faserförmige Element überträgt die aufgenommene Wärme direkt auf das umströmende und das faserförmige Element durchströmende, wärmetransportierende Fluid 15, das seinerseits über die koaxial angeordneten Leitungen 6a und 7a zu- bzw. abgeführt wird.

Wegen der großen Oberfläche des faserförmigen Elementes 14 kann das Licht leicht durch die verschiedenen Lückdn und Zwischenräume zwischen den Fasern eintreten und wird vielmals zwischen den Fasern reflektiert, so daß eine völlige Absorption und Umwandlung in Wärmeenergie gewährleistet ist, so als ob das faserförmige Element ein "schwarzes" Loch oder einen idealen schwarzen Körper darstellen würde.

Vorteilhafterweise sind die einzelnen, aufeinanderfolgenden Schichten des faserförmigen Elementes 14 entweder schwammartig oder netzartig ausgebildet und weisen unterschiedliche Dichten auf, die in Richtung des durch das faserförmige Element hindurchtretenden Lichtes zunehmen, um die Lichtabsorption noch

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weiter zu verbessern. In ähnlicher Weise kann das faser- förmige Element auch eine bürstenförmige oder fellartige Anordnung aufweisen, wobei die freien Faserenden auf die einfallenden Sonnenstrahlen zu ausgerichtet

Um Verluste durch Zurückweisung, Konvektion und Wärmeleitung noch weiter zu verringern, kann der Behälter des Konvektors mit einer Hülle 16 bedeckt sein, um eine thermische Schutzwirkung von der Innenseite nach der Außenseite zu gewährleisten; diese Hülle 16 kann von bekannter Art sein.

Sofern das wärmetransportierende Fluid unter einem besonders hohen Druck zu- und abgeführt wird, dann wird das faserförmige Element besser an der Außenseite des Kollektorkörpers angeordnet, durch welchen das Fluid strömt.

Mit Fig. 10 ist ein kugelförmiger Metallkollektor 4'a dargestellt, durch welchen das wärmetransportierende Fluid 15 strömt; auf der Oberfläche dieses Kollektors in innigem Kontakt damit ist ein faserförmiges, netzartiges Element 14· angeordnet, das durch Wärmeleitung die von den Fasern gesammelte Wärme auf den Behälter und von diesem wiederum auf das wärmetransportierende Fluid überträgt. In diesem Falle soll eine Schutzhülle entsprechend dem Außenbelag 16 vorgesehen werden.

Mit den angegebenen AusfUhrungsformen sind die wesentlichen Grundlagen der Erfindung dargelegt worden. Ersichtlich können verschiedene Abwandlungen der angegebenen Beispiele vorgenommen werden, ohne von der Erfindung abzuweichen. Die betrachtete Vorrichtung kann vielmehr mit den zweckmäßigsten Mitteln und Bauteilen ausgestattet werden, ferner mit zweckmäßigen faserförmigen Elementen und deren geeigneten Bestandteilen, wie das für Fachleute ersichtlich ist.

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Claims

PATENTANWAl.TF

TISCHER ri KERN

ALBERI -KOSShAUHTER- STRaSSE 65 iuropian patent OPPiCi d - 8OOO MÜNCHEN 7O iu«opaiichin Patentamt

OERMANV

TIlCHIi · Ki*N · ALii*T-*o*(HAUPTi*-iT*. 6· · D'l mOnchin 70 DlPL-INC. HERBERT TISCHER

DIPL-INC. WOlFCANC KERN

TE LE FO N <0βΟ> 76Ο 55 TELEX 5-219984 pMld

TELECRAMM/CABLE

KERNPATENT MUENCHEN

Ben—6635 DATUMi 17· September 1979

DATO

■ ITIIPPl • ■F.I

Alfredo Benlloch Llorach Avda. Sindical, 22

Palma de Mallorca, Spanien

Vorrichtung zur Ausnutzung der Sonnenenergie

Patentansprüche

Vorrichtung zur Ausnutzung der Sonnenenergie mit wenigstens einem konkaven Reflexionselement, in dessen Abbildungspunkt ein die Sonnenstrahlung absorbierendes Element angeordnet ist, das von einem Fluid durchströmt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (1) des Reflexionselementes eine vorgegebene Krümmung aufweist, um bei der Reflexion der

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POlTSCHtCKKONTO MONCHCN N*. 1131 4 7 - «03 III Z 7OO lOO βηι MONCHNtR IANK. MONCHtN. KONTO NR. 60 3SS ULZ 70I90IO0I

Sonnenstrahlen eine Brennzone (2) mit einer der angestrebten Wärmekonzentration entsprechenden Flächenausdehnung zu bilden;

diese Brennzone (2) als Folge der Sonnenbewegung einer gekrümmten, geradlinigen oder sonstigen, durch das Reflexionselement bestimmten Bewegungsbahn oberhalb des Reflexionselementes folgt; und diese Brennzone (2) innerhalb der Bewegungsbahn von dem absorbierenden Element (4) umfaßt wird, was entweder durch Verschiebung oder Form des absorbierenden Elementes (4) gewährleistet wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

das absorbierende Element (4) bezüglich der Bewegungsbahn der Brennzone nicht verschieblich angeordnet ist; jedoch eine an den im Verlauf der Jahreszeiten unterschiedlichen Sonnenstand angepaßte Verschiebung durchführen kann, welche ebenfalls die Stellung des Reflexionselementes in Abhängigkeit von der Jahreszeit beeinflußt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

das absorbierende Element (4) völlig unbeweglich angeordnet ist;

das Reflexionselement ebenfalls unbeweglich angeordnet ist; das absorbierende Element eine an die Bewegungsbahn der Sonne im Verlauf eines Jahres angepaßte größere Oberfläche aufweist; und

in diesem Falle zu dem absorbierenden Element (4) ein zweiter Kollektor (4^tfa) gehört, welcher direkt der Einwirkung des Sonnenlichtes ausgesetzt und dem ersten Kollektor (4¹¹)

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vorgeschaltet ist, welcher die Sonnenstrahlung von dem Reflexionselement erhält; und dem zweiten Kollektor (4*'a) das bereits durch den ersten Kollektor (4¹¹) vorgewärmte, wärmetransportierende Fluid zugeführt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des absorbierenden Elementes (4) vorzugsweise in gegenüberliegende Zellen unterteilt ist, die in Richtung der Sonnen-Bewegungsbahn angeordnet sind und jeweils einen unabhängigen Einlaß (6) und Auslaß (7) aufweisen, so daß die Erwärmung des wärmetransportierenden Fluids mit größerer Geschwindigkeit erfolgt, da jeweils nur eine kleinere Menge Fluid erwärmt werden muß.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Sammler ein absorbierendes Element gehört, das Licht in Wärme umzuwandeln vermag; dieses absorbierende Element einen faserförmigen Aufbau mit den Eigenschaften eines schwarzen Körpers aufweist; und dieser Aufbau durch mehrfache Sonnenlichtreflexion eine Steigerung der Absorptions- und Energieeinfangfläche gewährleistet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der faserförmige Aufbau zweckmäßigerweise mehrere Schichten bildet; und
diese Schichten ihrerseits unterschiedliche, in Richtung

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der einfallenden Sonnenstrahlen zunehmende Dichten aufweisen.

Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sonnenenergie absorbierende, faserförmige Material unabhängig sowohl an der Innenseite wie an der Außenseite des Kollektors angebracht ist; und die Wärme von dem faserförmigen Material auf das im Kollektor zirkulierende Fluid entweder direkt oder durch Wärmeleitung durch die Kollektorwände übertragen wird.

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