DE4302824A1 - Anordnung zur Erzeugung von Energie aus Sonnenlicht - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von
Energie aus Sonnenlicht mit einem Solarkollektor mit opti
schem Energie-Konzentrator auf einen Absorber, der von
einem gasförmigen oder flüssigen Wärmeträgermedium durch
flossen wird.
Solarkollektoren mit optischem Konzentrator auf einen
Absorber sind bekannt. So wird in der US-PS 1 989 999 eine
Anordnung mit bikonvexen Linsen als Konzentrator auf einen
Absorber beschrieben. Sie hat eine mechanische Nachführung
zum Sonnenverlauf, um die Brennpunkte der Linsen stets auf
dem Absorber zu konzentrieren. Das ist erforderlich, weil
zwar bei Sonneneinstrahlung exakt 90° zur Tangente in der
Linsenmitte eine sehr hohe Lichtkonzentration erreicht
wird, jedoch schon eine Sonnenbewegung um einige Winkelse
kunden den Brennpunkt aus dem Bereich des Absorberrohres
wandern läßt. Über die Dauer eines Sonnentages bleibt dann
nur ein Verstärkungsverhältnis von 1 : 1,5 übrig. Der Nach
teil dieser Anordnung besteht in der aufwendigen Nachfüh
rung, um ein besseres Verstärkungsverhältnis zu erreichen.
Den gleichen Nachteil haben Anordnungen mit Reflektoren
oder sternförmig um den Absorber angeordneten rechteckigen
oder polygonen Prismensystemen.
Bekannt ist weiterhin eine Anordnung mit Fresnellinsen zur
Energiekonzentration des Sonnenlichts (US-PS 4 848 319).
Diese Anordnung hat aber den Nachteil, daß sie nur einen
Verstärkungsfaktor von 1 : 1,3-1,5 hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Energie aus Son
nenlicht mit Hilfe optischer Konzentratoren und Absorbern
mit hohem Wirkungsgrad zu erzeugen, ohne daß eine Nachfüh
rung der optischen Konzentratoren entsprechend dem Sonnen
verlauf erforderlich ist.
Erfindungsgemäß wird das durch die Merkmale des Anspruchs 1
erreicht.
Bei einem Röhrenkollektor zum Einfangen von Sonnenlicht mit
einem von einem Wärmeträgermedium ausgefüllten rohrförmigen
Absorber hat der Röhrenkollektor in rohraxialer Richtung in
einem der Sonne zugewandten und den täglichen Sonnenlauf er
fassenden Kreisausschnitt nebeneinander angeordnete kon
vexkonkave Linsen zur Konzentration des Sonnenlichtes auf
dem Absorber. Durch die Anordnung konvexkonkaver Linsen
wird das einfallende Sonnenlicht nicht in einem Brennpunkt
bzw. einer Brennlinie auf dem Absorber gebündelt, sondern
es wird bewußt der Streueffekt konkaver Linsen ausgenutzt,
wobei das gestreute Licht im wesentlichen auf die Oberflä
che des Absorbers konzentriert wird. Mit dieser Anordnung
wird einachsig der Sonnenverlauf um mindestens 160° ver
folgt und es wird ca. 80% des Tageslichtes auf die Absorber
mitte konzentriert.
Zur Ausnutzung des vom Absorber nicht eingefangenen Sonnen
lichtes ist auf der sonnenabgekehrten Seite des Absorbers
ein Reflektor angeordnet, der seitlich über den Absorber
hinausragt und z. B. winkelförmig sein kann.
Die konvexkonkaven Linsen können innen auf einem durchsich
tigen Rohr aufgebracht sein und vorzugsweise aus einem
gießfähigen und keine mechanische Spannungen aufweisenden
Material bestehen. Als Material kann z. B. Silicon verwendet
werden. Die konvexkonkaven Linsen und das Rohr können aber
auch aus einem Stück hergestellt sein.
Die konvexkonkaven Linsen können sowohl sphärisch als auch
asphärisch sein und auch die gesamte Linsenanordnung kann
sowohl sphärisch als auch asphärisch sein.
Es ist zweckmäßig, die Außenfläche des Absorberrohres mit
einer photovoltaischen Beschichtung zu versehen. Das hat
den Vorteil, daß der Wirkungsgrad der Anordnung weiter
verbessert wird. Im Vergleich zu einer gleich großen Fläche
ohne Lichtkonzentration wird die Leistungsabgabe der Photo
voltaik um den Konzentrationsfaktor des Lichtes größer, d. h.
mit einer um den Konzentrationsfaktor kleineren Fläche
wird die gleiche Leistung erreicht wie mit einer entspre
chend größeren photovoltaischen Fläche ohne Konzentration.
Dadurch wird eine Kosteneinsparung erzielt. Da ein Absorber
rohr ohnehin eine lichtabsorbierende Fläche benötigt,
fallen für die gesamte Anordnung nur zusätzliche Kosten ge
genüber einer normalen lichtabsorbierenden Schicht an.
Bei der photovoltaischen Beschichtung des Absorberrohres
aber auch bei einer parallel zum Absorberrohr und mit
diesem leitend verbundenen Photovoltaik besteht der weitere
Vorteil der Wärmeenergieabführung durch das Wärmeträgermedi
um im Absorberrohr. Dadurch bleibt im Gegensatz zur herkömm
lichen Photovoltaik der Wirkungsgrad hoch und fällt nicht,
wie sonst üblich, durch Erwärmung der Photovoltaik bei
intensiver Sonneneinstrahlung stark ab.
Für den Fall, daß ein Metallrohr als Absorber verwendet
wird, ist es zweckmäßig, dieses innen mit Rippen zu verse
hen, um die Wärmetauscheroberfläche zu vergrößern.
Bei Einsatz eines gasförmigen Wärmeträgermediums erhält
jedes Absorberrohr zum Raum zwischen Absorberrohr und dem
Außenrohr hin eine kleine Bohrung. Bei hoher Strömungsge
schwindigkeit des gasförmigen Wärmeträgermediums im Absor
berrohr wird entsprechend dem Bernoulli′schen Gesetz die
Luft zwischen Absorberrohr und Außenrohr angesaugt und so
in diesem Raum ein Unterdruck hervorgerufen. Dadurch wird
die Wärmeemission des Absorberrohres verringert.
Das Gehäuse an den Stirnseiten der Kollektorrohre sollte
aus glasfaserverstärktem hochisolierendem Material beste
hen, das gieß- bzw. unter Preßdruck verformungsfähig ist.
Durch Verwendung von hochisolierendem Material kann auf
zusätzliche Isolierstoffe verzichtet werden, wodurch Kosten
eingespart werden.
Bei Verwendung eines flüssigen Wärmeträgermediums ist es
zweckmäßig, dieses mit Metallstäuben oder metallhaltigen
Stoffen anzureichern. Dadurch wird die Wärmeleiteigenschaft
des flüssigen Wärmeträgermediums und damit der Wirkungsgrad
des gesamten Systems weiter erhöht.
Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, daß
das Absorberrohr aus einem lichtdurchlässigen Material
besteht, und die Wärmeträgerflüssigkeit mit Substanzen, z. B.
Stäuben versetzt ist, die die Wärmeträgerflüssigkeit
schwärzt. Dadurch wird eine weitere Verbesserung der Wärme
umsetzung und damit Erhöhung des Wirkungsgrades erreicht.
Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel anhand von
Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch die Anordnung eines konvexkonkaven
Linsensystems in sphärischer Form,
Fig. 2 schematisch die Anordnung eines konvexkonkaven
Linsensystems in asphärischer Form,
Fig. 3 schematisch den Strahlengang durch das
Kollektorrohr,
Fig. 4 die Montagemöglichkeiten für die Kollektorroh
re,
Fig. 5 schematisch den Kollektoraufbau bei der Verwen
dung eines gasförmigen Wärmeträgermediums,
Fig. 6 schematisch den Kollektoraufbau bei der Verwen
dung eines flüssigen Wärmeträgermediums,
Fig. 7 ein Absorberrohr,
Fig. 8 ein Absorberrohr mit parallel zu diesem
angeordneter Photovoltaik.
In der Fig. 1 ist in der Draufsicht schematisch ein Sonnen
kollektor in Rohrform dargestellt, der konvexkonkave Linsen
1 hat, die an der Innenwand eines optisch durchsichtigen
Kollektorrohres 2 angebracht sind. Die Linsen 1 bestehen
zweckmäßig aus einem gießfähigen Material und werden mit
Hilfe einer Form auf die Innenwand gegossen. Im Zentrum des
Kollektorrohres 2 ist ein Absorberrohr 3 angeordnet, daß
von einem gasförmigen oder flüssigen Wärmeübertragungsmedi
um durchflossen wird. Die Linsen 1 können sowohl sphärisch
als auch asphärisch sein und auch die Anordnung der Linsen
kann sphärisch oder asphärisch sein. In der Fig. 1 sind die
Linsen sphärisch angeordnet, während sie in der Fig. 2
asphärisch angeordnet sind, was aus der Fig. 2 aus dem
allmählich größer werdenden Abstand der Linsen von dem zy
lindrischen Kollektorrohr 2 ersichtlich ist. An der Stelle
4 ist der Abstand am größten.
In der Fig. 3 ist der Strahlengang durch das Kollektorrohr
dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind das Kollek
torrohr 2 und die Linsen 1 aus einem Stück hergestellt. Ein
winkelförmiger Reflektor 5 ist so angeordnet, daß er die
Strahlen, die das Absorberrohr nicht direkt treffen, auf
das Absorberrohr reflektiert. Es sind drei extreme Möglich
keiten der Strahlumlenkung durch die Linsen 1 erkennbar,
und zwar bei einer Sonnen-Einstrahlung A von 45° zur Hori
zontalen, bei Sonneneinstrahlungen B und C unter 90° zur
Horizontalen.
Aus der Fig. 4 sind mehrere Kollektorrohre 2 zu einem
Kollektor zusammengefaßt. An den Stirnseiten der Kollektor
rohre befinden sich im Aufbau gleichartige Kollektorgehäuse
6, 7, die aus glasfaserverstärktem hochisolierendem Materi
al bestehen, das gießfähig oder durch Pressen verformungsfä
hig ist. Anschlußkästen 8 dienen zur Aufnahme der Zufluß-
bzw. Abflußeinrichtung für das Wärmeträgermedium. In der
Regel fließt das Wärmeträgermedium über das Kollektorgehäu
se 6 zu und über das Kollektorgehäuse 7 ab.
In dieser Ausführung ist der Kollektor für alle Wärmeträger
medien geeignet. Für den Fall, daß das Wärmeträgermedium im
geschlossenen Kreislauf geführt werden soll, entfallen die
Anschlußkästen 8 und an ihrer Stelle sind Anschlüsse 9 und
10 vorgesehen. Im Falle eines gasförmigen Wärmeträgermedi
ums befindet sich im Anschluß 9 ein Gebläse 12 (Fig. 5) für
die Umwälzung des Wärmeträgermediums innerhalb des Kollek
tors. Das Wärmeträgermedium gibt seine Energie an einen
Wärmetauscher 11 im Kollektorgehäuse 7 ab.
Die Fig. 6 zeigt nochmals den Standardaufbau mit Zu- und
Abfluß des Wärmeträgermediums aus dem Kollektor. Bei Ein
satz von flüssigen Wärmeträgermedien sind in den Kollektor
gehäusen 6, 7 nicht dargestellte Sammelrohre angeordnet. Im
Sammelrohr des Kollektorgehäuses 6 fließt das zu erwärmende
flüssige Wärmeträgermedium zu und im Sammelrohr des Kollek
torgehäuses 7 fließt es zu einem äußeren Wärmetauscher oder
Speicher ab.
Bei Einsatz eines gasförmigen Wärmeträgermediums ist ein
Sammelrohr nicht erforderlich. Das gasförmige Medium wird
über einen Anschlußkasten 8 in das Kollektorgehäuse 6
eingeblasen, durchströmt die Absorberrohre, strömt erwärmt
in das Kollektorgehäuse 7 und tritt aus einem Anschlußka
sten 8 aus. Es kann dann direkt einen Raum erwärmen oder
seine Energie an einen Wärmetauscher abgeben, der sich au
ßerhalb des Kollektors befindet.
Bei dem in der Fig. 7 dargestellten Absorberrohr ist dessen
Oberfläche mit photovoltaischen Elementen 14 segmentartig
beschichtet. Die segmentartige Beschichtung ist erforder
lich, weil die Einstrahlungsintensität auf den Absorber
nicht gleichmäßig über die Oberfläche verteilt ist. Teile
der nicht bestrahlten Oberfläche würden sonst die bestrahl
ten Teile in ihrer Leistung beeinträchtigen. Innerhalb des
Absorberrohres sind Rippen 13 angeordnet um die Wärmeüber
tragung auf das Wärmeübertragungsmedium zu verbessern.
Bei der Anordnung der Fig. 8 sind seitlich am Absorberrohr
3 photovoltaische Beschichtungen 15 angeordnet.
Die durch die Photovoltaik erzeugte elektrische Energie
kann zweckmäßig zum Antrieb des Gebläses bzw. der Pumpe für
das Umwälzen des Wärmeträgermediums genutzt werden.
Bezugszeichenliste
1 Linsen
2 Kollektorrohr
3 Absorberrohr
4 Stelle des größten Abstandes der Linsen vom Kollek torrohr
5 Reflektor
6, 7 Kollektorgehäuse
8 Anschlußkästen
9, 10 Anschlüsse
11 Wärmetauscher
12 Gebläse
13 Rippen
14 photovoltaische Elemente
15 photovoltaische Beschichtungen
A, B, C Richtungen der Sonneneinstrahlung
2 Kollektorrohr
3 Absorberrohr
4 Stelle des größten Abstandes der Linsen vom Kollek torrohr
5 Reflektor
6, 7 Kollektorgehäuse
8 Anschlußkästen
9, 10 Anschlüsse
11 Wärmetauscher
12 Gebläse
13 Rippen
14 photovoltaische Elemente
15 photovoltaische Beschichtungen
A, B, C Richtungen der Sonneneinstrahlung
Claims (14)
1. Anordnung zur Erzeugung von Energie aus Sonnenlicht mit
einem Solarkollektor mit optischem Energie-Konzentrator auf
einen röhrenförmigen Absorber, der von einem gasförmigen
oder flüssigen Wärmeträgermedium durchflossen wird, dadurch
gekennzeichnet, daß der Solarkollektor in rohraxialer
Richtung in einem der Sonne zugewandten und den täglichen
Sonnenlauf erfassenden Kreisausschnitt nebeneinander ange
ordnete konvexkonkave Linsen (1) zur Konzentration des
Sonnenlichtes auf dem Absorberrohr (3) hat.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Ausnutzung des vom Absorber (3) nicht eingefangenen Son
nenlichtes auf der sonnenabgekehrten Seite des Absorbers
ein Reflektor (5) angeordnet ist, der seitlich über den
Absorberrohr (3) hinausragt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Reflektor (5) winkelförmig ist.
4. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die konvexkonkaven Linsen (1)
innen auf einem durchsichtigen Kollektorohr (2) aufgebracht
sind und aus einem gießfähigen und keine mechanische Span
nungen aufweisenden Material bestehen.
5. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die konvexkonkaven Linsen (1)
und das Kollektorrohr (2) aus einem Stück hergestellt sind.
6. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die konvexkonkaven Linsen (1)
sphärisch oder asphärisch sind.
7. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Linsenanordnung
sphärisch oder asphärisch ist.
8. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Absorberroh
res (3) mit einer photovoltaischen Beschichtung (14) verse
hen ist.
9. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß eine photovoltaische Beschich
tung (15) seitlich parallel zum Absorberrohr (3) angeordnet
ist.
10. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß als Absorber ein Metallrohr ver
wendet wird, das innen Rippen (13) zur Vergrößerung der Wär
metauscheroberfläche hat.
11. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz eines gasförmigen
Wärmeträgermediums das Absorberrohr (3) zum Raum zwischen
Absorberrohr und dem Kollektorrohr (2) hin eine kleine
Bohrung aufweist.
12. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6, 7) an den Stirn
seiten der Kollektorrohre (2) aus glasfaserverstärktem hoch
isolierendem Material besteht, das gieß- bzw. unter Preß
druck verformungsfähig ist.
13. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10
und 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines
flüssigen Wärmeträgermediums dieses mit Metallstäuben oder
metallhaltigen Stoffen angereichert ist.
14. Anordnung nach Anspruch 1 bis 10 und 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Absorberrohr (3) aus einem lichtdurchläs
sigen Material besteht und die Wärmeträgerflüssigkeit mit
Substanzen, z. B. Stäuben versetzt ist, die die Wärmeträger
flüssigkeit schwärzt.
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DE4302824C2 DE4302824C2 (de) | 1996-11-21 |
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