DE3729758A1 - Highly efficient radiation trap - Google Patents

Highly efficient radiation trap

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DE3729758A1
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Reinhart Dr Radebold
Walter Radebold
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    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/16—Materials undergoing chemical reactions when used
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/12—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electromagnetic waves
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
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Abstract

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Description

Die Anmeldung beschreibt eine neue Art von Absorber für konzentrierende optische Systeme oder Spiegel, die einen im Vergleich zum Stand der Technik verbesserten Einfang des konzentrierten Lichtes ermöglicht. Es muß darauf hingewiesen werden, daß die folgenden Ausführungen sowohl für Solarkraftwerke mit parabolischem Reflektor gültig sind als auch für Turmkraftwerke mit einem Heliostatenfeld, bei dem die eingestrahlte Energie in einen Hohlraum gelangt, als auch für alle anderen konzen­ trierenden optischen Systeme.The application describes a new type of absorber for concentrating optical systems or mirrors that compare to the state of the art Technology enables improved capture of concentrated light. It it must be pointed out that the following explanations for both Solar power plants with a parabolic reflector are valid as well for Tower power plants with a heliostat field, in which the irradiated Energy enters a cavity, as well as for all others optical systems.

Bisher ist es üblich, das konzentrierte Licht auf einen quasi zwei­ dimensionalen Absorber im Brennfleck des Systems zu leiten. Dadurch, daß die Oberfläche eines solchen Absorbers nach entsprechender Behandlung eine hohe Absorption und eine geringe Emission aufweist, wird ein Teil des eingestrahlten Lichtes in Form von Wärme durch die Oberfläche des Absorbers an ein Kühlmittel übertragen und abgeführt. Die Problematik hierbei liegt darin, daß ein anderer Teil des Lichtes unmittelbar reflektiert wird, und daß ein Teil der absorbierten Strahlung durch den Absorber wieder abgestrahlt wird.So far it has been common to concentrate the light on a quasi two to conduct dimensional absorber in the focal spot of the system. As a result of that the surface of such an absorber after appropriate treatment high absorption and low emission becomes part of the incident light in the form of heat through the surface of the Transfer absorber to a coolant and removed. The problem this is because another part of the light is immediate is reflected, and that part of the absorbed radiation by the Absorber is emitted again.

Je höher die Temperatur, bei der die Wärme durch das Kühlmittel abge­ führt wird, desto höher ist auch die Abstrahlung nach dem T4-Gesetz. Der hier beschriebene Verlust an Strahlungsenergie ist für die Nutzung der Sonnenenergie deshalb kritisch, weil eine Kompensation nur durch eine vergrößerte Reflektorfläche möglich ist. Dadurch aber verringert sich wegen der entstehenden Kosten die Wirtschaftlichkeit einer solchen Anlage erheblich.The higher the temperature at which the heat is removed by the coolant, the higher the radiation according to the T 4 law. The loss of radiation energy described here is critical for the use of solar energy because compensation is only possible through an enlarged reflector surface. However, this significantly reduces the economic viability of such a system because of the costs involved.

Die vorliegende Erfindung versucht, die erwähnte Problematik durch einen anderen Ansatz zu lösen: Das im Brennfleck eines optischen Systems anfallende Licht wird in einer quasi drei-dimensionalen Strahlungsfalle mit möglicherweise erheblich verringerten Verlusten eingefangen. Der eigentliche Absorber besteht aus einer Glas- oder Quarzkugel oder einem anderen Gefäß, das zu einem geringeren Teil mit flüssigem Stickstoff­ tetraoxid (N2O4) gefüllt ist, möglicherweise mit einem Zusatz anderer Gase.The present invention attempts to solve the above-mentioned problem by means of a different approach: the light occurring in the focal spot of an optical system is captured in a quasi three-dimensional radiation trap with possibly considerably reduced losses. The actual absorber consists of a glass or quartz ball or another vessel, which is to a lesser extent filled with liquid nitrogen tetraoxide (N 2 O 4 ), possibly with the addition of other gases.

Der eigentliche Schritt in Neuland wird durch die chemischen und insbe­ sondere die photochemischen Eigenschaften des NO2 bedingt. Bei Um­ gebungstemperatur bildet sich das Dimer N2O4, das zu einer Flüssigkeit kondensiert. Bei höherer Temperatur und insbesondere bei Bestrahlung wird das NO2 photochemisch in NO und O gespalten. Man kann diesen Effekt in zweierlei Weise nutzen: Die Vergrößerung der Molzahl legt es nahe, das Gemisch aus NO2, NO und O direkt in einer Wärmekraftmaschine Arbeit leisten zu lassen. Das bedeutet hierbei, Absorptionsmittel und thermo­ dynamisches Arbeitsmittel sind gleich. Der Gedanke an eine lichtgetrie­ bene Turbine oder Motor fällt in den Bereich des Möglichen. Die zweite Möglichkeit besteht darin, den durch die Photodissoziation bedingten hohen Energietransport auszunutzen, um einen sehr effektiven Wärmeüber­ tragungs-Kreislauf zu installieren: Die Rekombination des NO mit O zu NO2 an einer kälteren Fläche erhöht im Prinzip die spezifische Wärme des Gases beträchtlich.The actual step into new territory is due to the chemical and in particular the photochemical properties of NO 2 . At ambient temperature, the dimer N 2 O 4 forms , which condenses to a liquid. At higher temperatures and especially when irradiated, the NO 2 is split photochemically into NO and O. This effect can be used in two ways: The increase in the number of moles suggests that the mixture of NO 2 , NO and O work directly in a heat engine. This means that absorbent and thermodynamic working fluid are the same. The idea of a light-driven turbine or motor falls within the realms of possibility. The second possibility is to use the high energy transport caused by the photodissociation to install a very effective heat transfer circuit: The recombination of the NO with O to NO 2 on a colder surface increases the specific heat of the gas considerably in principle.

Um ein Beispiel zu geben: Im Zentrum der Kugel befindet sich ein Wärmetauscher aus einem korrosionsfesten, metallischen Werkstoff, durch den ein Kühlmittel fließt. Die Funktion dieses Absorbers ist wie folgt:To give an example: There is a in the center of the sphere Heat exchanger made of a corrosion-resistant, metallic material which a coolant flows. The function of this absorber is as follows:

Das eingestrahlte Licht heizt das flüssige N2O4 auf, das verdampft und zu NO2 dissoziiert. Das Licht wird nun im Gasvolumen absorbiert in Annäherung an das LAMBERT-BEER'sche Gesetz. da die Absorptionsbanden des NO2 im UV und sichtbaren Gebiet liegen. Das Gas ist braun-rot. Das NO2 als ein Dissoziationsprodukt des N2O4 wiederum kann bei höheren Tempera­ turen in NO + O2 dissoziiert werden. Dieser Mechanismus ist neben der Konvektion innerhalb der Absorberkugel von wesentlicher Bedeutung: die kälteren Wärmetauscherrohre im Inneren des Absorbers bedingen die partielle Rekombination des NO mit dem O zu NO2 und unter Umständen weiter zu N2O4. The incident light heats up the liquid N 2 O 4 , which evaporates and dissociates to NO 2 . The light is now absorbed in the gas volume in approximation to the LAMBERT-BEER law. because the absorption bands of NO 2 are in the UV and visible range. The gas is brown-red. The NO 2 as a dissociation product of N 2 O 4 in turn can be dissociated into NO + O 2 at higher temperatures. In addition to convection within the absorber ball, this mechanism is of essential importance: the colder heat exchanger tubes inside the absorber require the partial recombination of the NO with the O to NO 2 and possibly further to N 2 O 4 .

Es ist in diesem Zusammenhang darauf hinzuweisen, daß Grundlagenunter­ suchungen, aber auch technische Entwicklungen mit NO2 in sehr großem Stil in der Sowjetunion von verschiedenen Instituten in Zusammenarbeit mit der Akademie der Wissenschaften durchgeführt worden sind, und zwar in Hinblick auf die Verwendung als Kühlmittel und gleichzeitig als Arbeitsmittel für Turbinen in nuklearen Brüterkraftwerken.It should be noted in this connection that basic research, but also technical developments with NO 2 in a very large style in the Soviet Union have been carried out by various institutes in cooperation with the Academy of Sciences, with a view to their use as a coolant and at the same time as work equipment for turbines in nuclear breeder power plants.

Durch den Mechanismus der zweimaligen thermischen Dissoziation ist ein großer, gerichteter, chemisch bedingter Energietransport möglich. Neu an dem hier vorgestellten Verfahren ist die direkte Einspeisung von Energie in das Gas durch konzentriertes Sonnenlicht. Neu ist weiterhin die Ausnutzung der photochemischen Dissoziation zusätzlich zu der thermischen Dissoziation.Due to the mechanism of two thermal dissociation is a large, directed, chemically induced energy transport possible. New on The method presented here is the direct feeding of energy into the gas by concentrated sunlight. The is still new Exploitation of photochemical dissociation in addition to thermal dissociation.

Claims (1)

Dreidimensionaler Absorber für konzentrierte Solarstrahlung mit Sperrwirkung für die Rückstrahlung durch Absorption der Strahlung längs des Strahlungsweges in Form einer hocheffizienten Strah­ lungsfalle, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. ein geschlossener, ganz oder teilweise aus Glas oder Quarz oder aus einem anderen, strahlungsbeständigen, transparenten Material bestehender Behälter mit einem gasförmigen Absorp­ tionsmittel für die Strahlung in Form eines farbigen Gases stationär oder durchströmt gefüllt ist, das möglichst im gesamten Bereich des solaren Spektrums einschließlich des nahen Infrarots Absorption zeigt und auch in der Lage ist, photochemische Dissoziation durch die Strahlung zu durchlau­ fen, wobei der Behälter in seinem Inneren wärmetauschende Flächen zur Abfuhr der Anregungs- und Dissoziationsenergie des Gases bei Rekombination an ein Kühlmittel aufweist.
  • 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein kondensierbares oder sublimnierbares Gas verwendet wird und der Behälter einen weiteren Wärmetauscher zur Verdampfung des sich bei der Energieabfuhr bildenden oder einströmenden Kondensats bzw. Sublimats enthält.
  • 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als photochemisch aktives gasförmiges Absorptionsmittel insbesondere NO2, Cl2, Br2 oder J2 allein oder in Mischung verwendet werden.
Three-dimensional absorber for concentrated solar radiation with a blocking effect for the retroreflection by absorption of the radiation along the radiation path in the form of a highly efficient radiation trap, characterized in that
  • 1. a closed, completely or partially made of glass or quartz or from another, radiation-resistant, transparent material existing container with a gaseous absorbent for the radiation in the form of a colored gas is filled with stationary or flowed through, if possible in the entire range of the solar spectrum including near infrared shows absorption and is also able to pass photochemical dissociation by the radiation, the container having heat-exchanging surfaces inside for dissipating the excitation and dissociation energy of the gas when recombined with a coolant.
  • 2. Apparatus according to claim 1, characterized in that a condensable or sublimable gas is used and the container contains a further heat exchanger for evaporating the condensate or sublimate which forms or flows in during energy dissipation.
  • 3. Device according to claims 1 and 2, characterized in that in particular NO 2 , Cl 2 , Br 2 or J 2 are used alone or in a mixture as the photochemically active gaseous absorbent.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5061391A (en) * 1988-01-06 1991-10-29 Mainstream Engineering Corp. Working fluid for thermally powered heat pumping applications

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DE2948355A1 (en) * 1979-11-30 1981-06-04 Kraftwerk Union AG, 4330 Mülheim Solar heater for power generator - draws air heated in collector chamber via exchanger, and returns some cooled air as air curtain across chamber inlet

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