DE4111608A1

DE4111608A1 - Hybrid-strahlungssammler

Info

Publication number: DE4111608A1
Application number: DE4111608A
Authority: DE
Inventors: Arnold Grimm
Original assignee: EN TECHNO GRIMM GmbH
Current assignee: EN TECHNO GRIMM GmbH
Priority date: 1991-04-10
Filing date: 1991-04-10
Publication date: 1992-10-15

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungssammler der mit seinem rohrförmigen Absorber als Energiewandler eine gleichzeitige Nutzung der thermischen und photo-elektrischen Energiegewinnung aus der Sonneneinstrahlung ermöglicht.

Prinzip dieser vorliegenden Erfindung ist die optische Verfolgung auf einer Achsbewegung ohne jedwede mechanische Nachführung des Strahlungssammlers.

Der in der Rohrmitte des Strahlungssammlers befindliche Absorber ist in der oberen Rohrhälfte sonnenseitig zugewandt mit optischen Elementen bestückt, die das einfallende Sonnenlicht, weitgehend unter Ausnutzung der Totalreflexion, zum Absorber des Strahlungssammlers umlenken und konzentrieren, wo dann die eingefallene Sonnenenergie in thermische Energie und durch die photovoltaische Beschichtung der Oberfläche des Absorbers in zusätzliche elektrische Energie umgewandelt wird. Um auch einfallende Lichtstrahlen, die aufgrund eines ungünstigen Einfallwinkels von der Totalreflexion nicht erfaßt werden trotzdem zur Mitte hin umzulenken, ist bei den der Sonneneinstrahlung abgewandten Seite der optischen Elemente die Rückseite verspiegelt. Meßreihen haben eine weitere deutliche Zunahme der Einstrahlintensität aufgezeigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde den Strahlungssammler so konstruktiv zu verbessern, daß

1. ein Maximum an Sonneneinstrahlintensität auf das Absorberrohr umgelenkt werden kann,
2. Spannungen im Material durch unterschiedliche Ausdehnungen der Werkstoffe aufgefangen werden, um so mechanische Zerstörungen des Strahlungssammlersystems zu vermeiden.
3. Den Strahlungssammler so auszulegen, das nur ein Austausch des Absorberrohres mit seinen Zu- und Abfuhrrohren, ihn für unterschiedliche Einsatzgebiete und Einsatzzwecke verwendungsfähig macht.
4. Durch die Gestaltung der optischen Elemente im Strahlungssammler, insbesondere durch die Ausbildung eines Hohlraumes in den optischen Elementen, ergibt sich eine wesentlich Kosten- und Gewichtsminderung ohne wesentliche Beeinflußung der optischen Leistungen.

Die Wirksamkeit des Strahlungssammlers, die dieser Erfindung zugrunde liegt, soll eine tabellarische Meßreihe aufzeigen, die nachfolgend aufgelistet ist:

Solarzelle:
Typ: TZZM von Telefunken System Technik
Breite: 16,4 mm
Länge: 50,0 mm

gemessener Sonneneinfallswinkel mit Lichtquelle simuliert: 0° bis 180°
Lichtquelle: Halogenmetalldampflampe HQIT 250 W/D
Reflektor: Parallelreflektor

1. Meßreihe Solarzelle mit 2-mm-Glasabdeckung (Bilderglas)

Kurzschlußstrommessung=I_s in mA

2. Meßreihe Gleiche Solarzelle, optisches Element wie unter Fig. 1 beschrieben

Durchmesser des Außenrohres des Strahlungssammler: 133 mm
Durchmesser des Absorbers: 32 mm
Optisches Element (2): verspiegelt

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe zum Bau eines Kollektors durch Einsatz von sieben parallelgeschalteten Strahlungssammler gelöst. Durch eine Rohr-Steckverbindung werden die einzelnen Kollektoren zu einer Gruppe von beliebiger Anzahl zusammengeschaltet. Seine Begrenzung im Zusammenschalten findet die Baugruppe von Kollektoren nur im Widerstand des Flußmediums in den Absorbern und den notwendigen Sammelrohren für Zu- und Ablauf.

Eine Hintereinanderschaltung der Strahlungssammler ermöglicht den Aufbau zu einer Kollektorgruppe auf den First von Gewächshäusern ohne die bisher übliche und nicht zu vermeidende Beeinträchtigung der Sonneneinstrahldauer auf die im Gewächshaus vorhandenen Pflanzen.

Als Wärmeträgermedium werden drei verschiedene Stoffe zum Einsatz gelangen. Die Wahl der Stoffe entscheidet die Wirtschaftlichkeit einer Anlage.

1. Wärmeträgermedium: Luft

Sie hat den Vorteil der geringen spezifischen Wärmekapazität und ist somit schnell zu erwärmen bei hohen Endtemperaturen. Luft steht kostenfrei zur Verfügung.

Ein weiterer Vorteil bei Einsatz von Luft als Wärmeträgermedium ist die Nutzung des Prinzips der Staustrahlpumpe. Der metallene Absorber wird mit einer kleinen Bohrung versehen. Durch die hohe Luftströmgeschwindigkeit entsteht in den Absorbern ein Unterdruck der zur Evakuierung des Strahlungssammlers ausgenutzt werden kann. Die Evakuierung beträgt nur ca. 50%, ist jedoch ausreichend, um für eine Wärmeisolierung zu sorgen und die Wärmeabstrahlung auf ein geringes Maß zu reduzieren.

2. Wärmeträgermedium: Wasser

Bei Einsatz von Wasser als Wärmeträgermedium wird der Absorber in der Regel aus Edelstahl bestehen müssen. Dies ist zwingend bei Trinkwassereinsatz aufgrund hygenischer Vorschriften und z. B. bei Erwärmung des Wasser für Schwimmbäder aufgrund der Chlorierung und anderer Stoffe im Wasser. Ein weiterer Vorteil ist der Verzicht auf einen sonst notwendigen Wärmetauscher, der auch zu Übertragungsverlusten führt.

3. Wärmeträgermedium: Wärmeträgeröl

Das Wärmeträgeröl wird durch den Zusatz von Aluminium-Partikel geschwärzt, was eine hohe Absorption der Sonneneinstrahlenergie bedingt und gleichzeitig wird die Wärmeleitfähigkeit wesentlich erhöht, was günstigere Übertragungswerte im Wärmetauscher ergibt.

Bei Einsatz der mit Alu-Partikeln geschwärztes Wärmeträgeröl besteht der Absorber aus einem hochtemperaturbeständigem, durchsichtigem Material. So wird die Wärmeträgerflüssigkeit durch die Sonneneinstrahlung in diesem Absorber direkt erwärmt ohne Umweg über ein metallenes Rohrsystem. Bei Einsatz von Strahlungssammlern in unter Pkt. 3 beschriebener Technik in Solarfarmen erhöht sich der Wirkungsgrad um das 6-7fache gegenüber bisher eingesetzter Technologien von max. 8% Wirkungsgrad.

Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Querschnittes durch das Strahlungssammler-System,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Halbquerschnittes ähnlich Fig. 1, jedoch mit Hohlräumen in den optischen Elementen,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Halbquerschnittes ähnlich Fig. 2, jedoch ohne Verbindung aus einem optisch durchlässigem Material zwischen den beiden Enden der Schenkel die auf dem Absorber aufliegen,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Halbquerschnittes ähnlich Fig. 2,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Halbquerschnittes ähnlich Fig. 2,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Halbquerschnittes ähnlich Fig. 2 und

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Halbquerschnittes ähnlich Fig. 2.

In Fig. 1 ist in schematischer Weise der Querschnitt des Strahlungssammlers dargestellt. Dieser Strahlungssammler besteht aus einem optisch durchlässigem Material (1) als Außenrohr und hat die Funktion eines Schutzrohres in dessen Mittelachse ein rohrförmiger Absorber (4) als Energiewandler angeordnet ist. In der oberen Kreishälfte des Strahlungssammlers sind die optischen Elemente (2 und 3) über fast die gesamte Länge des Absorbers in einem gleichbleibenden Querschnitt angeordnet. Die Länge der optischen Elemente ist nur um die Abmessung kürzer, die erforderlich ist, um das Absorberrohr (4) an seinen Enden in dem Strahlungssammler korrekt zu zentrieren.

Die optischen Elemente (2 und 3) haben zwei gleichschenkelige Seiten. Sie zeigen mit ihrer Spitze zum Außenrohr (1). Sie berühren das Außenrohr jedoch nicht, um bei unterschiedlichen der einzelnen Baugruppen keine Materialspannungen zu erzeugen. Der Basisbereich dieser optischen Elemente ist konkav ausgebildet und passen sich der Krümmung des Absorbers (4) an ohne jedoch mit dem Absorber starr verbunden zu sein, um auch hier auftretende Materialspannungen zu vermeiden. Die optischen Elemente (2) sind an der der Sonneneinstrahlung abgewandten Seite mit einer lichtreflektierender Beschichtung versehen (6) und in einem Winkel angeordnet der eine maximale Konzentration des einfallenden Sonnenlichtes auf den Absorber (4) ermöglicht. Das optische Element (3) ist nicht mit einer reflektierender Beschichtung versehen und wird in der Winkelmitte zwischen den beiden rechts und links angeordneten optischen Elementen (2) zentriert. Die Zwischenräume (5) im Strahlungssammler werden evakuiert, um Wärmeabstrahlverluste so weit wie technisch sinnvoll zu vermeiden. Die Verspiegelung (6) der optischen Elemente (2) und die Konzentrierung des optischen Elementes (3) ist bei allen folgenden Varianten gleich und aus diesem Grunde in der Beschreibung der nachfolgenden einzelnen Figuren nicht mehr zusätzlich erwähnt.

Wird der Absorber (4) von Luft als Wärmeträgermedium durchflossen, so befinden sich im Innenrohr dieses Absorbers Wärmeleitbleche (7) die auch in den nachfolgenden Beschreibungen und Zeichnungen nicht mehr zusätzlich erwähnt werden. Die Wärmeleitbleche erhöhen die Wärmeabfuhr vom Absorber. Besteht der Absorber (4) aus einem nicht strahlungsdurchlässigem Material, so wird auf die Außenfläche dieses Absorbers auf seiner gesamten Länge und Umfang eine photovoltaische Beschichtung aufgebracht (8), um eine zusätzliche Energieform durch die Sonneneinstrahlung zu gewinnen.

Der Absorber (4) kann auch mit Wasser als Wärmeträgermedium durchflossen werden. Das wird immer dann der Fall sein, wenn die Wirtschaftlichkeit der Wassererwärmung beim direkten Durchfließen des Strahlungssammlers größer ist als bei der Wassererwärmung über einen zusätzlich zugeschalteten Wärmetauscher. Hierbei muß an das Material des Absorbers als Energiewandler die Anforderungen Oxydationsfreiheit und/oder den hygenischen Bestimmungen für die Wasserqualität gewährleistet sein.

Der Absorber (4) kann auch aus einem hochtemperaturbeständigen, durchsichtigen Material bestehen, wenn als Wärmeträgermedium eine mit Aluminium-Partikeln angereicherte Wärmeträgerflüssigkeit eingesetzt wird. Durch die Anreicherung mit den Alu-Partikeln erhält die Wärmeträgerflüssigkeit eine tiefgraue bis schwarze Färbung. Die Färbung absorbiert das einfallende Sonnenlicht direkt ohne den Umweg über einen metallenen Absorber und gibt die so aufgenommene mittransportierte Wärmeenergie besser an dem nachgeschalteten Wärmetauscher ab.

Fig. 2 zeigt den Halbquerschnitt eines Strahlungssammlers, dessen optische Elemente (9) einen Hohlraum (10) aufweist. Die optischen Elemente haben die gleiche Aufgabe wie die unter Fig. 1 beschriebenen, ihre gleiche Winkelpositionierung, ihre fast identischen optischen Konzentrationswerte und ihre Verspiegelungen (6), sind jedoch im Gewicht leichter und in der Herstellung preiswerter.

Fig. 3 zeigt den Halbquerschnitt eines Strahlungssammlers dessen optische Elemente (11) in ihren Querschnitten identische Maße wie die optischen Elemente (9) der Fig. 2 aufweisen, jedoch mit dem Unterschied, daß die beiden Schenkel der optischen Elemente von (11) ohne Verbindung eines optischen Materials an der Berührungsfläche zum Absorber sind. Die dem Absorber zugewandten Enden der beiden Schenkel der optischen Elemente (11) sind in ihren Flächen so ausgeformt, daß sie auf das Absorberrohr (4) vollflächig aufliegen. Der Hohlraum (10) ist ebenfalls ähnlich wie unter Fig. 2 beschrieben.

Fig. 4 ist ein weiteres Beispiel für den Halbquerschnitt eines Strahlungssammlers, wobei die optischen Elemente (12) im wesentlichen eine rechteckige Form aufweisen und mit einem Hohlraum (10) versehen ist. Mit dem konkaven Bereich liegen sie auf dem Absorber (4), mit ihrem konvexen Bereich liegen sie in Richtung Außenrohr (1) des Strahlungssammlers ohne diesen zu berühren.

Die in Fig. 5 dargestellte Variante des Halbquerschnittes eines Strahlungssammlers ist die aus zwei trapezförmigen Elementen (14) zusammengesetzte Form, wobei (10) den Hohlraum zeigt. Für die konkave und konvexe Fläche gilt sinngemäß die gleiche Aussage wie unter Fig. 4 beschrieben.

Die in Fig. 6 dargestellte Variante weist rhombenförmige Elemente (17) auf, deren Spitzen jeweils abgetrennt sind und zum Absorber hin konkav und zum Außenrohr konvex ausgelegt sind. Der Hohlraum (10) ist der Außenform ähnlich ausgelegt. Auch diese optischen Elemente liegen mit ihren konkaven Flächen auf dem Absorber und die konvexen Flächen weisen zum Außenrohr, berühren dieses aber nicht.

In Fig. 7 wird eine Variante aufgezeigt, deren optische Elemente (18) eine Querschnittsfläche aufweisen, die aus zwei Kreissegmenten zusammengesetzt sind, wobei die radial außen- und innenliegenden Bereiche verkürzt sind und die zum Absorber weisende Fläche konkav, die zum Außenrohr weisende Fläche konvex ausgebildet sind.

Auch diese optischen Elemente liegen nur auf dem Absorber auf und haben keine starre Verbindung mit ihm. Das Außenrohr wird von den optischen Elementen ebenfalls nicht berührt. Der Hohlraum (10) ist der Außenform ähnlich.

Alle in den Fig. 1 bis Fig. 7 beschriebenen Varianten können auch mit einem polygonen Absorber (4) ausgestattet sein, dann ist die zum Absorber weisende Fläche nicht mehr konkav sondern entsprechend der Form der polygonen Fläche ausgelegt.

Diese Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr ist es dem Fachmann im Rahmen der Erfindung möglich die Ausgestaltung und Abmessung der einzelnen optischen Elemente, der Absorberrohre wie auch der Außenrohre den jeweiligen Gegebenheiten insbesondere der Strahlungsart, der Art und Größe des Verhältnisses zwischen den Strahlungssammlern des Außenrohres und dem Absorberrohr anzupassen. Auch ist die Erfindung nicht auf die gezeigte Anzahl und Anordnung der optischen Elemente beschränkt, vielmehr war es im Rahmen der Erfindung möglich optische Elemente verschiedener radialer Abmessungen zu verwenden und/oder optische Elemente verschiedener Querschnittsformen miteinander zu kombinieren.

Claims

1. Strahlungssammler mit einem rohrförmigen Absorber als Energiewandler aus unterschiedlichem Material, gekennzeichnet durch mehrere optische Elemente (2 und 3) die in der der Sonnenseite zugewandten obere Rohrhälfte angeordnet sind, aus strahlungsdurchlässigem Material gefertigt, um einen in der Mittelachse des Strahlungssammlers befindlichen rohrförmigen Absorber als Energiewandler (4) angebracht sind.

2. Strahlungssammler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (2 und 3) nicht gegen die Innenfläche des Strahlungssammlers (1) anliegen.

3. Strahlungssammler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (2 und 3) gegen die Außenfläche des rohrförmigen Absorbers (4) anliegen, mit diesem aber nicht starr verbunden sind.

4. Strahlungssammler nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume (5) zwischen den optischen Elementen evakuiert sind.

5. Strahlungssammler nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterfläche der optischen Elemente (2), die der Sonneneinstrahlung abgewandte Seite, mit einem das Sonnenlicht reflektierendem Material beschichtet ist.

6. Strahlungssammler nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Absorbers (4) mit einer photovoltaischen Beschichtung (8) versehen ist.

7. Strahlungssammler nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (2 und 3) einzeln ausgebildet sind und keine feste Verbindung mit dem Außenrohr des Strahlungssammlers (1) noch mit dem rohrförmigen Absorber (4) besteht.

8. Strahlungssammler nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Außenrohrs (1) zu dem Außendurchmesser des Absorbers (4) mindestens 2 : 1 beträgt.

9. Strahlungssammler nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr des Absorbers (4), wenn es aus Metall besteht, mit Wärmeleitblechen (7) versehen ist.

10. Strahlungssammler nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (2 und 3) sich über fast die gesamte Länge des Absorberrohres (4) erstrecken und nur für die Halterung und Zentrierung des Absorbers und der optischen Elemente im Strahlungssammler an den Enden des Absorberrohres je ein kurzer Teilabschnitt nicht von den optischen Elementen bedeckt ist.

11. Strahlungssammler nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorberrohr (4) auch aus einem hochtemperaturbeständigem, durchsichtigem Material besteht, wenn das Absorberrohr von einer mit Metallpulver angereicherten Wärmeträgerflüssigkeit durchflossen wird.

12. Strahlungssammler nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (2 und 3) die Form eines gleichschenkeligen Dreiecks haben, wobei die dem Absorberrohr (4) zugewandte Seite eine konkave Form hat.

13. Strahlungssammler nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der optischen Elemente die des gleichschenkeligen Dreiecks beibehalten wird (9), der Innenteil dieses Elementes aber hohl sein kann (10). Die dem Absorber zugewandte Seite bleibt aber konkav.

14. Strahlungssammler nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der optischen Elemente wie in Anspruch 13 beschrieben ist, jedoch eine Verbindung der beiden unteren Schenkel (11) durch ein gleiches optisches Material wie (9) des konkaven, am Absorber (4) anliegenden Teilabschnittes, nicht vorhanden ist.

15. Strahlungssammler nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß das optisches Element (12) einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, wobei die radiale Länge größer ist als die Breite der optischen Elemente. Der Innenkörper dieses optischen Elementes aber einen formähnlichen, kleineren Hohlraum (10) aufweist. Die dem Außenrohr (1) des Strahlungswandlers zugewandte Fläche des optischen Elementes (12) ist konvex, die dem Absorber zugewandte Fläche ist konkav ausgebildet.

16. Strahlungssammler nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element im Querschnitt zwei trapezförmige Bereiche umfaßt (14), wobei die radial innenliegende Fläche des inneren Trapezes, welche dem rohrförmigen Absorber (4) zugewandt ist, konkav ausgebildet ist, sich die trapezförmige Gestalt in radialer Richtung vom rohrförmigen Absorber (4) verjüngt, und die dem Außenrohr des Strahlungssammlers (1) zugewandte Fläche konvex ausgebildet ist. Der außenliegende trapezförmige Bereich geht in den innerliegenden trapezförmigen Bereich über, und der Innenteil dieses optischen Elementes einen seiner gesamten Form ähnlichen Hohlraum (10) auf seiner gesamten Länge verfügt.

17. Strahlungssammler nach einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element im wesentlichen eine rhombusähnliche Form aufweist (17), wobei die dem rohrförmigen Absorber zugewandte Seite konkav, die dem Außenrohr des Strahlungssammlers (1) zugewandte Seite konvex ausgebildet ist. Der Hohlraum (10) ist in seiner Form ähnlich dem des rhombusförmigen optischen Elementes.

18. Strahlungssammler nach einem der Ansprüche 1-17, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (18) eine Querschnittsform aufweist, welche aus zwei mit ihren Basisbereichen gegeneinander anliegenden Kreissegmente gebildet ist, wobei die radial innenliegenden Bereiche der Kreissegmente verkürzt und konkav ausgebildet sind, die radial außenliegenden Bereiche verkürzt und konvex ausgeformt sind. Der Hohlraum (10) ist in seiner Gestalt ähnlich, nur verkleinert, der in diesem Anspruch beschriebenen Form.

19. Strahlungssammler nach einem der Ansprüche 1-18, dadurch gekennzeichnet, daß wenn das Absorberrohr (4) eine polygone Form hat, die optischen Elemente an den Enden die in Richtung Absorber weisen der polygonen Form angepaßt sein müssen.