DE3633172C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erhöhung der thermischen Energie einer Flüssigkeit gemäß dem Gattungs­ begriff des Patentanspruches.

Anlagen mit rohrförmigen Absorbern und reflektierenden Spiegeln sind grundsätzlich in zwei Versionen bekannt. Bei der einen Version wird der Wärmeinhalt von Wasser erhöht, indem das Wasser durch Rohre geführt wird, die in besonderer Weise und unter Zuhilfenahme der reflektierenden Spiegel der Sonnen­ strahlung ausgesetzt sind (z. B. US 42 27 511). Es erfolgt bei solchen Anlagen die Nutzung der Sonnenenergie in relativ geringem Maße, weil die Anlagen einfach sind, selbst wenn die reflektierenden Spiegel bzw. die ihnen zugeordneten Rohre zur Führung des zu erwärmenden Wassers dem Sonnenstand nachgeführt werden und hierzu, wie im speziell genannten Fall, die Anlage einen Ponton aufweist, der in einem wassergefüllten Becken angeordnet ist und in dessen Becken entsprechend der Verände­ rung des Sonnenstandes zwangsweise gedreht wird. Solche Anlagen dienen im wesentlichen der Erwärmung von Brauchwasser und sie werden beispielsweise in nördlichen Bereichen der Erdkugel eingesetzt, um das Wasser von Badeseen um einige Temperatur­ grade zu erhöhen und die Badesalzen zu verlängern. Es soll damit aber lediglich der mögliche und gewollte Einsatzbereich solcher Anlagen beschrieben werden.

Bei einem grundsätzlich anderen System wird auf möglichst hohe Ausbeute der Sonnenenergie Wert gelegt und diese Anlagen sind entsprechend kompliziert, weil Kollektoren und Reflektoren entsprechend dem aktuellen Sonnenstand in besonderem ausgerich­ tet werden müssen. Die Kollektoren und Reflektoren müssen dem täglichen Wechsel des Sonnenstandes und der jahreszeitlich bedingten Veränderung des Sonnenstandes entsprechend verstellt werden, so daß relativ aufwendige Nachführmittel notwendig sind, die solche Anlagen allein für den industriellen Bereich geeig­ net erscheinen lassen und die nur dann in Frage kommen, wenn die Bereitschaft und die Fähigkeit gegeben sind, erhebliche finanzielle Mittel einzusetzen. Bei diesen Anlagen erfolgt dann allerdings eine Überführung der Energie von einer in eine andere Energieform, indem insbesondere Wasser verdampft wird und mit diesem Dampf Kraftwerke betrieben werden.

Es ist damit der Einsatz von beiden Anlagetypen durch relativ wohlhabende Staaten vorgezeichnet. Für die sogenannten Ent­ wicklungsländer kommen solche Anlagen allenfalls ausnahmsweise in Frage, obwohl wegen ihrer geografischen Lage häufig gerade solche Staaten für die Nutzung der Sonnenenergie in besonderem Maße prädestiniert wären.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Erkenntnis dieser Probleme zugrunde und mit ihr soll eine Lösung aufgezeigt werden, die die Kosten einer solchen Anlage in Bereichen hält, die auch für die sogenannten Entwicklungsländer hinnehmbar sind, andererseits eine Kostenreduzierung nur in Merkmalsbe­ reichen vorsieht, auf die mit Rücksicht auf die regelmäßige Errichtung solcher Anlagen verzichtet werden kann, ohne daß der Wirkungsgrad solche Anlagen uninteressant werden ließe. Es sollen mit anderen Worten Kosten gespart werden können, ohne daß Nachteile in Kauf genommen werden müßten, die nicht durch Standortvorteile kompensiert werden könnten. Darüber hinaus soll es sich um "Anlagen" handeln, die eher den Charakter von "Vorrichtungen" haben, also den finaziellen Möglichkeiten sogenannter Entwicklungsländer angemessen Rechnung tragen.

Für einen solchen Einsatzbereich könnte eine bekannte gattungs­ gemäße Vorrichtung in Frage kommen, bei der der Energiegehalt von Wasser so erhöht wird, daß es in eine andere Energieform überführt, also verdampft wird, um Pumpen antreiben zu können, die aus Brunnen im Südwesten der Vereinigten Staaten Tränkwas­ ser für weidendes Vieh fördern (US 41 59 629). Eine solche Vorrichtung arbeitet mit einem relativ tiefen, gemauerten Becken und nutzt die verfügbare Fläche des Pontons weitgehend aus, indem die Pontonoberseite nahezu vollständig mit Aggrega­ ten aus Reflektoren und Absorbern bestückt ist. Das bedeutet für die Praxis einen erheblichen steuerungstechnischen Aufwand, um trotz den in ihrer Länge stark abweichenden Aggregaten aus Reflektoren und Absorbern einen exakt definierten Endenergie­ gehalt in dem Medium, dessen Energie erhöht werden soll, zu erhalten. Die Anlage mag aus diesem Grund für die sogenannten Entwicklungsländer technisch geeignet, aber auch wieder teuer und empfindlich sein. Außerdem trägt die bekannte Vorrichtung den Bedingungen des vorgesehenen Einsatzzweckes auch deswegen nur unzulänglich Rechnung, weil sie des tiefen Beckens wegen relativ viel Wasser zum schwimmenden Lagern des Pontons be­ nötigt, Wasser aber gerade in dem für die Erfindung und die bekannte Vorrichtung vorgesehenen Einsatzgebiet knapp und teuer ist. Das relativ tiefe Becken zur Aufnahme von verhältnismäßig viel Wasser ist aber bei der bekannten Vorrichtung deswegen notwendig, weil daran gedacht ist, den Ponton bei starkem Wind so weit unter den Beckenrand durch Senken des Wasserspiegels abzusenken, daß der Ponton trotz des Seitenwindes im Becken zentriert ist. Unter dem Ponton muß auch im abgesenkten Zustand noch genügend Wassertiefe vorliegen, um den Ponton schwimmend zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarkollektor­ anlage zur Gewinnung von Prozeßenergie unter Ausnutzung der direkten Sonnenstrahlung zu schaffen, die soweit vereinfacht ist, daß auf aufwendige Nachführeinrichtungen verzichtet werden kann und trotzdem bei entsprechend günstigen Aufstellungsbe­ reichen ein guter Wirkungsgrad erzielbar ist, dabei aber den Umständen der beabsichtigten Aufstellungsbereiche in der Weise Rechnung getragen werden kann, daß mit wesentlich weniger Wasser in dem Becken zur Lagerung des Pontons auszukommen ist als bei der bekannten gattungsgemäßen Vorrichtung.

Der Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Patentan­ spruches.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich um eine solche, die insbesondere im Bereich zwischen dem nördlichen und südlichen Wendekreis eingesetzt werden kann bzw. soll, für diesen Bereich der Erdkugel aber in besonderem Maße geeignet ist. Sie ist billig und damit für die in diesem Bereich liegen­ den relativ armen Länder erschwinglich, weil auf teuere Nach­ führvorrichtungen der Reflektoren in zwei Richtungen, d. h. entsprechend der täglichen und jährlichen Veränderung des Sonnenstandes, verzichtet wird, die Nachführung entsprechend der täglichen Veränderung des Sonnenstandes in diesem Bereich der Erde aber völlig ausreichend ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch deswegen mit relativ geringem finanziellen Einsatz zu errichten, weil die innerhalb eines Kollektorfeldes gleichlangen Reflektoren und Absorber in jedem Absorber die­ selbe Temperatur- bzw. Energieerhöhung zur Folge haben, so daß die Energieerhöhung in dem gesamten Kollektorfeld die Summe der untereinander gleichen Einzelenergieerhöhungen ist, so daß die Auslegung der Vorrichtung wesentlich einfacher ist als bei unterschiedlich langen Reflektoren bzw. Absorbern und aufwen­ dige Steuerungen nicht notwendig sind, um eine gewollte Gesamt­ energieerhöhung sicherstellen zu können. Darüber hinaus sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung alle Maßnahmen getroffen, um zur schwimmenden Lagerung des Pontons mit wenig Wasser auszukommen. Bei gleichlangen Reflektoren bzw. Absorbern ist eine wesentlich größere Pontonoberfläche als beim Stand der Technik nötig, der dort notwendige relativ hohe Wasserbedarf also bei einer Vorrichtung mit solchen gleichlangen Reflektoren bzw. Absorbern in besonderem Maße groß und es ist von besonde­ rer Bedeutung, daß gerade bei einer Vorrichtung mit gleichlan­ gen Reflektoren bzw. Absorbern der an sich große Wasserbedarf in den dabei möglichen Grenzen gehalten wird. Durch die Führung des Pontons gegenüber dem Beckenrand mittels Rollen kann der Spalt zwischen Becken- und Pontonrand extrem schmal gehalten werden. Da der Ponton durch die Windschutzschürzen von windbe­ dingten Seitenkräften freigehalten wird, kann die horizontale Führung des Pontons einfach und leicht gehalten werden, sie erhöht die Kosten der Vorrichtung nicht wesentlich. Der Antrieb ist von Seitenkräften völlig entlastet. Schließlich macht es die Seitenführung möglich, auf die beim Stand der Technik vorgesehene Absenkung des Pontons bei starkem Sei­ tenwind zu verzichten, so daß mit einer geringen Wassertiefe auszukommen ist, was eine unmittelbare Kostenersparnis bedeutet und eine mittelbare Kostenersparnis wegen des nur notwendigen relativ kleinen Beckens. Im allgemeinen wird der Beckenaushub zur Errichtung der Windschutzschürzen verwendet werden können und ausreichen, so daß auf diesem Wege eben­ falls eine Kosteneinsparung möglich ist. Es ist also mit der Erfindung eine Vorrichtung aufgezeigt, die in besonderem Maße für den Einsatz zwischen den Wendekreisen geeignet ist, weil sie kostengünstig errichtet werden kann, betriebssicher ist und trotzdem in diesem Gebiet hochwirksam ist. Um nun aber trotz des möglich schmalen Spaltes auch den Wasserbe­ darf zum Ersetzen des verdunsteten Wassers zu verringern, was im vorgesehenen Einsatzgebiet von besonderer Bedeutung ist, ist das Wasser in diesem Spalt mit einer verdunstungs­ hemmenden Schicht, z. B. aus Öl, bedeckt.

Die Anordnung gleichlanger Reflektoren bzw. Absorber inner­ halb eines Kollektorfeldes auf einem schwimmenden Ponton ist zwar bekannt (US 41 48 301), die Maßnahmen, die dies mit der geschilderten Wirkung möglich machen, sind dort jedoch nicht ergriffen.

Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend beschrieben; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf die solarthermische Vor­ richtung,

Fig. 2 einen Schnitt im vergrößerten Maßstab durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Perspektivzeichnung der Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt ein in Modulen aufgeteiltes Kollektorfeld 2 aus Gruppen gleichlanger Reflektoren und Absorber, das starr auf einem schwimmenden Ponton 3 in zueinander parallelen Reihen angeordnet ist, wobei ein Solarkollektor 1 im wesentlichen eine Tragkonstruktion 14, einen Parabolspiegel 7 und einen Absorber 5 umfaßt (Fig. 3). Der Ponton 3 ist in einem Becken 4 auf Wasser gelagert. Er ist vom Beckenrand durch einen Ringspalt 8 getrennt, der mit einem Ölfilm bedeckt ist, um ein Verdunsten des Wassers zu vermeiden. Der Ponton 3 wird von am Beckenrand angebrachten Motoren 9 angetrieben und zwar derart, daß der Ponton 3 mit seinem Kollektorfeld 2 immer azimuthal der Sonne nachgeführt wird. Dies geschieht mittels eines Nachführsystems, das die Drehgeschwindigkeit der Motore 9 regelt. Zwischen der Peri­ pherie des Pontons und dem Beckenrand sind Stützrollen 10 angeordnet, die vom Beckenrand nicht aufgenommene Windkräfte aufnehmen. Das Kollektorfeld 2 ist über Rohrleitungen, die mit einer im Zentrum der Plattform 6 des Pontons 3 angeordneten Drehdurchführung 11 verbunden sind und durch den Kanal 13 führen (Fig. 2), mit dem Energie­ wandler 12 verbunden.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur Erhöhung der thermischen Energie einer Flüssig­ keit unter Nutzung des direkten Strahlungsanteiles der Sonnen­ energie mit rinnenförmigen Parabolspiegeln und in den Brenn­ linien der Parabolspiegel angeordneten Absorbern, wobei die Parabolspiegel und die ihnen zugeordneten Absorber in direkter Aufeinanderfolge parallel zueinander auf einem scheibenförmigen Ponton angeordnet sind, der unter Einhaltung eines Ringspaltes in einem wassergefüllten Becken schwimmend und mittels eines Antriebes, dessen einer Antriebsteil stationär am Beckenrand gelagert ist und kraft- und formschlüssig mit dem auf dem Ponton gelagerten Antriebsteil zusammenwirkt, entsprechend der täglichen Veränderung des Sonnenstandes um seine Hochachse drehbar ist und wobei eine Zuleitung für einen flüssigen Wärme­ träger mit niedrigem Energiegehalt und eine Ableitung für den Wärmeträger mit hohem Energiegehalt in einer in der Mitte des Pontons angeordneten Baueinheit zusammengefaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleicher Länge von Parabolspiegeln (7) und Absorbern (5) innerhalb eines Kollektorfeldes (2) der Ponton (3) mit Stütz­ rollen (10) konzentrisch innerhalb des mit schräg angestellten Windschutzschürzen versehenen Beckenrandes geführt und das Wasser in dem Ringspalt zwischen Ponton- und Beckenrand mit einem Dichtmedium wie Öl bedeckt ist.