DE4302824C2 - Anordnung zur Erzeugung von Energie aus Sonnenlicht - Google Patents

Anordnung zur Erzeugung von Energie aus Sonnenlicht

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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 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 4 848 319). Diese Anordnung hat aber den Nachteil, daß sie nur einen Verstärkungsfaktor von 1 : 1,3-1,5 hat.
Auch die DE 91 10 233 U1 und die AT 339 542 zeigen Linsensysteme zur Energie­ konzentration des Sonnenlichts.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung zur Erzeugung von Energie aus Sonnenlicht mit Hilfe von optischen Konzentratoren und Absorbern den Wirkungsgrad der Energieumwandlung am Absorber zu verbessern.
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 umgelenkt wird. Mit dieser Anordnung wird einachsig der Sonnenverlauf um mindestens 160° ver­ folgt und es wird ca. 80% des Tageslichtes auf die Absorber­ mitte umgelenkt.
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.
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,
Fig. 2 schematisch die Anordnung eines konvexkonkaven Linsensystems in etwas abgeänderter 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 Anordnung der Linsen kann wie in der Fig. 1 dargestellt sein, oder wie in der Fig. 2 mit allmählich größer werdendem Abstand der Linsen von dem zy­ lindrischen Kollektorrohr 2. 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 Kollektorrohr
 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 (12)

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 Zerstreuungslinsen (1) zur Umlenkung des Sonnenlichtes auf das 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 einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexkonkaven Zerstreuungslinsen (1) innen auf einem durchsichtigen Kollektorohr (2) aufgebracht sind und aus einem gießfähigen Material bestehen.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexkonkaven Zerstreuungslinsen (1) und das Kollektorrohr (2) aus einem Stück hergestellt sind.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Absorberroh­ res (3) mit einer photovoltaischen Beschichtung (14) verse­ hen ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine photovoltaische Beschich­ tung (15) seitlich parallel zum Absorberrohr (3) angeordnet ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Absorber ein Metallrohr ver­ wendet wird, das innen Rippen (13) zur Vergrößerung der Wär­ metauscheroberfläche hat.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz eines gasförmigen Wärmeträgermediums das Absorberrohr (3) zum Raum zwischen Absorberrohr und dem Kollektorrohr (2) hin eine kleine Bohrung aufweist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 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.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines flüssigen Wärmeträgermediums dieses mit Metallstäuben oder metallhaltigen Stoffen angereichert ist.
12. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8 oder 10, 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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