DE4336756A1 - Konzentrierender Flachkollektor - Google Patents

Description

Konzentrierende Kollektoren für Sonnenstrahlung, wie z. B. zylindrisch parabolische Wannen, parabolische Trichter und Systeme von Spiegeln, die parabolisch angeordnet sind, erfordern nach bisher üblicher Bauart eine bestimmte bauliche Größe für eine wirtschaftliche Wärmeleistung.

Wegen der meist groß dimensionierten Bauweise eignen sich nicht besonders für die Installation auf Hausdächern oder in kleineren Anlagen. Außerdem ist eine mechanische Steuerung zur Sonnenstandregulierung nötig, die einen gewissen technischen Aufwand erfordert und störanfällig sein kann.

Die vorliegende Erfindung hat zum einen das Ziel einer möglichst kompakten Bauweise, wie sie in Flachkollektoren bekannter Bauart der äußeren Form nach erreicht ist und zum anderen einer effizienten Konzentration der einfallenden Strahlung, die ohne eine mechanische Nachführung von Spiegeln, Linsen oder ähnlichen Bauteilen auskommt.

Als Wärmeträger wird eine Flüssigkeit verwendet, die ein Hilfsgas gelöst enthält, das durch eine Temperaturerhöhung leicht ausgetrieben werden kann.

Im einzelnen werden Aufbau und Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kollektors wie folgt beispielhaft dargestellt.

Nach der schematischen Darstellung von Fig. 1 sind kugelförmige oder annähernd kugelförmige lichtdurchlässige Körper in einer Fläche nebeneinander angeordnet. Sie wirken als Konzentratoren 1 für das einfallende Sonnenlicht, das durch einige ausgewählte Strahlen 2 dargestellt ist. Die bei direkter Sonneneinstrahlung parallelen Sonnenstrahlen 2 werden in dem Konzentrator 1 gebündelt. Der Brennpunkt 3 kann je nach der optischen Dichte des Materials durch einen unterschiedlich großen Radius und einen unterschiedlichen Abstand der oberen und unteren Halbkugel verändert werden. Es wird vorteilhaft so gewählt, daß er in geringem Abstand unter der unteren Halbkugel liegt. Der Brennpunkt ist, durch die sphärische Aberration bedingt, nicht genau punktförmig, sondern hat die Gestalt eines kleinen Flecks.

Je nach dem Einfallswinkel des Sonnenlichtes lassen sich Konzentrationen von etwa dem 40- bis 80fachen erzielen. Der Brennpunkt wandert mit dem Sonnenstand auf einer Fläche, die im Abstand des Brennpunktes von der unteren Halbkugel liegt. Dabei wird im Jahreslauf im Nord-Süd-Richtung nur ein Teil der halbkugelförmigen Unterseite des Konzentrators 1 überstrichen. In Ost-West-Richtung wird in der vorliegenden Bauweise auf eine Ausnutzung des vollen 180° Winkels des Sonnenlaufs verzichtet und die einfallende Sonmnenstrahlung auf einen Winkel von 90° begrenzt. Das unter dem Konzentrator befindliche Verdampfergefäß nach Fig. 2 kann demnach auch eine ovale Form annehmen.

Die im Brennpunkt 3 gesammelte Lichtstrahlung durchdringt eine durchsichtige Abdeckung 4 und trifft auf eine lichtabsorbierende und poröse Schicht 5, die mit einer Wärmeträgerflüssigkeit getränkt ist. Die Wärmeträgerflüssigkeit sickert durch dochtartige Zuleitungen 6 gerade in der Menge in die lichtabsorbierende und poröse Schicht, wie durch Kapillar- und Adhäsionskräfte festgehalten werden können.

Die Wärmeträgerflüssigkeit ist zweckmäßigerweise so gewählt, daß durch die übliche Sonneneinstrahlung und bei gegebenem Druck in den Gefäßen und Rohrleitungen des Kollektors der Siedepunkt erreicht werden kann.

Die Wärmeträgerflüssigkeit enthält ein Hilfsgas gelöst, das bei Druckerniedrigung und Temperaturerhöhung leicht ausgetrieben wird.

Die Wärmeträgerflüssigkeit mit ihrem verhältnismäßig hohen Siedepunkt verdampft fast ausschließlich an den Stellen der lichtabsorbierenden porösen Schicht, die vom Brennpunkt der einfallenden Lichtstrahlen erhitzt wird. An der übrigen Fläche der lichtabsorbierenden porösen Schicht, die dem Innenraum des Verdampfergefäßes zugewandt ist, breitet sich vorwiegend das Hilfsgas aus. Das Hilfsgas bildet damit einen Schutz vor einem Temperaturausgleich nach dem Heat-pipe Prinzip, indem es die Diffusion der verdampften Wärmeträgerflüssigkeit zu den Stellen niedriger Temperatur in der lichtabsorbierenden und porösen Schicht 5 verhindert.

Die Diffusion wird außerdem durch die engen, röhrenartigen Gefäße 7 verhindert, die die verdampften Anteile der Wärmeträgerflüssigkeit zum Boden des Gefäßes abführen. Die röhrenartigen Gefäße 7 mögen an ihrem unteren Ende durch eine poröse Schicht 8 bedeckt sein, die eine Diffusion des Gas-Dampfgemisches durch die Röhren noch weiter erschwert.

Am Boden des Verdampfergefäßes leiten geeignete Stege 9 das Gas-Dampf- Gemisch möglichst direkt zur Ableitung 10 und den verbindenden Rohrleitungen 11, die das Gas-Dampf-Gemisch aus einer Vielzahl von Verdampfergefäßen sammeln und zu einem Wärmetauscher führen, der die gesammelte Wärme als Nutzwärme abgibt. Das Hilfsgas wird von der kondensierten Wärmeträgerflüssigkeit absorbiert, da es bei niedriger Temperatur leichter löslich ist.

Der Wärmetauscher ist hoch genug angebracht, damit die mit Hilfsgas angereicherte Wärmeträgerflüssigkeit durch eine Rohrleitung zu den dochtartigen Zuleitungen der Verdampfergefäße fließen kann.

Die kugelähnlichen Konzentratoren können zu einer festen Platte miteinander verbunden sein bzw. aus einer einzigen Platte bestehen. Sie brauchen nicht durchgehend aus demselben Material zu bestehen. Sie können auch aus einer oberen und unteren Abdeckung bestehen, die aus den kugelförmigen Elementen der einzelnen Konzentratoren zusammengesetzt sind und innen mit einer Flüssigkeit gefüllt sein.

Fig. 3 zeigt eine Gesamtansicht des Kollektors mit der Vielzahl der aus Kugelabschnitten 12 bestehenden Oberfläche.

Fig. 4 zeigt den Strahlgang von ausgewählten Strahlen 13, die einen Konzentrator in Form eines Kugelabschnitts oder eines Walzenabschnitts durchdringen. Der Konzentrator besteht hier aus einer festen und lichtdurchlässigen Schale 14 und einer lichtdurchlässigen Flüssigkeit (hier: Wasser) im Inneren. Durch diese Konstruktion können Materialaufwand und Gewicht gespart werden.

Claims (5)

1. Solarkollektor in flacher Bauweise, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von kugelähnlichen Konzentratoren (1) für Sonnenlicht in einer Fläche angeordnet sind,
daß die Konzentratoren das einfallende Sonnenlicht auf einen Fleck (3) konzentrieren, der sich in geringem Abstand (ca. 2 cm oder weniger) von der Unterseite der Konzentratoren befindet, daß in der durch den wechselnden Sonnenstand überstrichenen Fläche eine Schicht von porösem lichtabsorbierendem Material (5) ausgebreitet ist, die eine bei den erreichbaren Temperaturen verdampfbare Wärmeträgerflüssigkeit enthält,
daß die poröse und lichtabsorbierende Schicht (5) mit einer lichtdurchlässigen Abdeckung (4) zur Unterseite der Konzentratoren hin abgedeckt ist,
daß die Wärmeträgerflüssigkeit ein Gas gelöst enthält, dessen Löslichkeit stark durch Druck und Temperatur bestimmt werden,
daß die durch die konzentrierten Sonnenstrahlen verdampfte Wärmeträgerflüssigkeit durch wärmeisolierte Gefäße, wie z. B. enge Röhren (7) abgeführt wird,
daß diese Röhren (7) an ihrer Unterseite durch eine poröse Schicht (8) abgedeckt sein können,
daß am Boden des Verdampfergefäßes von Fig. 2 konzentrische Stege (9) angebracht sind, die das Gas-Dampf-Gemisch zu einer Ableitung (10) leiten, daß eine Vielzahl von Konzentratoren nach der Art von Fig. 2 durch verbindende Rohrleitungen (11) miteinander verbunden sind,
daß das gesammelte Gas-Dampf-Gemisch seine Wärme in einem Wärmetauscher als Nutzwärme abgibt,
daß die kondensierte und mit Hilfsgas angereicherte Wärmeträgerflüssigkeit durch eine oder mehrere Rohrleitungen zu den dochtartigen Zuleitungen der Verdampfergefäße geführt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentratoren in Form von Walzen bzw. von Walzenabschnitten gestaltet sind, die die Oberfläche des Kollektors längs oder quer durchziehen können.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Oberseite oder die Unterseite der Konzentratoren die Form einer Halbkugel, eines Kugelabschnitts, einer Walze oder eines Walzenabschnitts hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentratoren ganz oder teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträgerflüssigkeit vorteilhaft Wasser, Glykol, Glyzerin oder Thermoöle verwendet werden, die ein Hilfsgas gelöst enthalten, das durch Temperaturerhöhungen leicht ausgetrieben werden kann.