DE69533091T2

DE69533091T2 - Nichtabbildender sonnenkollektor

Info

Publication number: DE69533091T2
Application number: DE69533091T
Authority: DE
Inventors: Roland Winston; Joseph O'gallagher; G. Breault Research Organization David JENKINS; William Duff
Original assignee: Solar Enterprises International Chicago LLC; Solar Enterprises International LLC
Current assignee: Solar Enterprises International Chicago LLC; Solar Enterprises International LLC
Priority date: 1994-12-23
Filing date: 1995-12-22
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2015-12-23
Also published as: JP3880621B2; AU4742396A; PT797751E; JPH10511451A; DE69533091D1; EP0797751A1; US5537991A; ES2223055T3; EP0797751A4; EP0797751B1; WO1996020376A1; AU705952B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen nichtabbildenden Konzentrator für Licht. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Solarenergie-Konzentrator oder Kollektor mit einem konzentrisch in einem Glasgehäuse, das eine nichtabbildende Lichtkonzentration ermöglicht, wie beispielsweise ein evakuiertes zylindrisches Reflektorrohr, angeordneten Absorber. Diese Absorbergeometrie enthält auch eine V-Nut zur Spaltdämpfungsreduzierung, die in einer komplementären Weise bezüglich einer mit dem Absorber verbundenen, keilförmigen Wärmeleitrippe angeordnet ist.
Nichtabbildende Konzentratoren und ihre Vorteile sind in der Technik bekannt (siehe zum Beispiel die US-Patente Nr. 3,957,031; 4,002,499; 4,003,638; 4,230,095; 4,387,961; 4,359,265 und 5,289,3561. Bei diesen früheren Methodologien ist die Vorrichtung unter Verwendung einer gegebenen Absorberform, üblicherweise ein zylindrisches Rohr, aufgebaut und dann wird der geeignete nichtabbildende Reflektor konstruiert. Die Betonung lag deshalb hauptsächlich in der Entwicklung neuer Reflektorkonstruktionen, um die Kollektorleistung zu optimieren. Es hat zuletzt neue Arten von Hochleistungs-Absorbermaterialien gegeben, die sogar auf flexiblen Substraten angeordnet werden können. Diese Absorber haben ein Absorptionsvermögen typischerweise größer als 90% über das Sonnenspektrum, während die spezifische Halbkugelausstrahlung bei Betriebstemperaturen ziemlich gering ist.
Die JP-A-60-78251 offenbart einen nichtabbildenden Sonnenkollektor, der wenigstens zwei Absorber enthält, die in einer Anordnung über eine weite Fläche des Innern eines Gehäuses angeordnet sind, wobei diese Absorber durch eine geschlossene Schleife mit einem keilförmigen Abschnitt der Schleife, der nahe eines spitzenförmigen Reflektors endet, umschrieben sind.
Die JP-A-58-184445 offenbart einen Sonnenenergiekollektor mit einer Wärmesammelplatte und einem Innenrohr, das in einem Außengehäuse enthalten ist. Ein Sonnenenergiereflektor ist außerhalb des Außengehäuses vorgesehen.
Die JP-A-60-91157 offenbart einen Sonnenenergiekollektor mit einem Wärmesammelrohr und einer Wärmesammelplatte, die relativ zu einer Reflexionsfläche versetzt ist.
Gemäß der Erfindung ist ein nichtabbildender Sonnenkollektor vorgesehen, mit einem Außengehäuse, das wenigstens teilweise lichtdurchlässig ist, und einem in dem Außengehäuse angeordneten Reflektorelement, ferner mit einem Absorber, der in dem Außengehäuse angeordnet ist und eine damit verbundene und von dem Absorber vorstehende und eine Keilform, die als Funktion eines größer werdenden radialen Abstandes von dem Absorber konisch zu einer geringeren Dicke zuläuft, aufweisenden Wärmeleitrippe aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber konzentrisch in dem Außengehäuse angeordnet ist.
Der Reflektor ist bevorzugt zylindrisch, und der Absorber ist bevorzugt rohrförmig.
Die Erfindung sieht einen verbesserten Sonnenkollektor mit einem konzentrisch in einem Reflektor angeordneten und mit einem Wärmeleiter konischen Querschnitts verbundenen Absorber vor.
Die Erfindung sieht auch ein Verfahren und einen Fertigungsgegenstand zum Vorsehen einer hohen Sonnenkollektorleistung mit einer konzentrischen Wärmetauschkanalkonstruktion vor, die einen einfachen Aufbau und Zusammenbau ohne die Notwendigkeit von Sonnennachführantrieben vor.
Ferner sieht die Erfindung einen Sonnenkollektor vor, der Absorber verwendet, die eine hohe Leistung aufweisen und an flexiblen Substraten zum Optimieren der Sammeleigenschaften angeordnet sind.
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den nachfolgend beschriebenen Zeichnungen offensichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen herkömmlichen Sonnenkollektor mit einem flachen Rippenleiter;
2 zeigt einen herkömmlichen nichtabbildenden Sonnenkollektor eines Öffnungswinkels von 45° mit einem nicht-konzentrisch in einem spitzenförmigen Kollektor angeordneten Absorber;
3A zeigt eine Querschnittsansicht entlang 3A-3A von 3C eines nichtabbildenden Sonnenkollektors mit einem Absorber, der konzentrisch in einem zylindrischen Reflektor mit einem V-Nut-Spaltdämpfungsunterdrücker angeordnet ist und ferner eine damit verbundene Wärmeleitrippe mit einem konisch geformten Querschnitt enthält; 3B zeigt einen Strahlengang für den Kollektor von 3A; 3C zeigt eine Perspektivansicht des Sonnenkollektors von 3A; und 3D zeigt ein Diagramm eines Wärmeverhaltens des Kollektors mit 40°-V-Nut von 3A und des 35°-ICPC-Kollektors von 2 bei Verschiebung von der idealen Positionierung;
4 zeigt eine weitere Version des Kollektors von 3, aber mit einem größeren Öffnungswinkel;
5 zeigt eine Variation des Sonnenkollektors von 3, aber ohne das V-Nut-Spaltdämpfungsunterdrückerelement;
6A zeigt einen nichtabbildenden Kollektor, der nicht unter den Schutzumfang der Ansprüche fällt, mit einem konzentrischen rohrförmigen Absorber und einer angehobenen Reflektorkontur, die einen Öffnungswinkel von 5° vorsieht; und 6B zeigt einen Strahlengang für den Kollektor von 6A;
7 zeigt Öffnungswinkeleigenschaften des Kollektors von 6A und 6B.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Ein nichtabbildender Sonnenkollektor, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist, ist in 3 bis 6 dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. Mehrere herkömmliche Kollektorkonstruktionen sind zum Vergleich in 1 und 2 gezeigt. Der herkömmliche Kollektor 12 von 1 besitzt Wärmeleitrippen 14 und 16, die beide Wärme abstrahlen, sodass ein Wärmeverhalten bei Temperaturen über 100°C schlecht ist. Der herkömmliche nichtabbildende Kollektor 18 von 2 besitzt bei erhöhten Temperaturen ein relativ gutes Wärmeverhalten, aber der Absorber 20 ist nicht-konzentrisch angeordnet und erfordert die Herstellung einer etwas komplizierten Reflektorgeometrie 22.
Der erfindungsgemäße nichtabbildende Sonnenkollektor 10 enthält ein Außenglasrohrgehäuse 24, das lichtdurchlässig ist, was den Eintritt von Lichtstrahlen 26 (siehe 3B) in das evakuierte Innere des Gehäuses 24 erlaubt. Das Gehäuse 24 ist in einer zylindrischen Form dargestellt, aber es kann auch andere Geometrien annehmen, die für die hier beschriebenen Funktionen geeignet sind. Die Lichtstrahlen 26 treffen entweder direkt auf das Absorberrohr 28 oder reflektieren von der Reflektoroberfläche 32, um auf das Absorberrohr 28 zu treffen und dadurch das gesammelte Licht zu konzentrieren. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Absorberrohr 28 andere als die in den Figuren gezeigte Formen haben, aber es ist bezüglich des Gehäuses 24 konzentrisch positioniert. Das Absorberrohr 28 kann ferner einen keilförmigen Wärmeleiter 30 (siehe 3C) enthalten, der im Querschnitt zusammen mit dem Absorberrohr 28 als eine „Eistüten"-Geometrie erscheint, wie in 3A, 3B, 4 und 5 angegeben.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel (siehe 3, 4 und 5) enthält die Reflektoroberfläche 32 eine Spaltdämpfungsreduktions-V-Nut 34. Diese Nut 34 unterdrückt eine Energieabsorptionsspaltdämpfung, die sonst auftreten würde, wenn es einen Raum zwischen der Reflektoroberfläche 32 und dem keilförmigen Wärmeleiter gibt. In 3A beträgt der Öffnungswinkel für den Absorber etwa 40°, was den Kollektor 10 für eine Ost-West-Orientierung ohne die Notwendigkeit eines Sonnennachführmechanismus geeignet macht. Dieser spezielle Öffnungswinkel mit der zugehörigen V-Nut 34 sieht eine ausgezeichnete Toleranz für vertikale Positionierfehler bei der Platzierung des Absorbers 30 sowie eine gute Toleranz für horizontale Verschiebungen vor (siehe 3D).
Der Kollektor 10 von 4 hat einen kleineren Krümmungsradius für die Reflektoroberfläche 32, was in einem weiteren Öffnungswinkel von 70° resultiert. Dieses Ausführungsbeispiel lässt den Kollektor 10 für eine Nord-Süd- oder eine Ost-West-Ausrichtung ohne die Notwendigkeit einer Sonnennachführvorrichtung geeignet sein.
Der Kollektor 10 von 5 ist der Grenzfall der Ausführungsbeispiele von 3 und 4, wo der Krümmungsradius der Reflektoroberfläche 32 mit der Innenfläche des Glasrohrgehäuses 24 zusammenfällt. Dieses Ausführungsbeispiel hat einen 90° erreichenden Öffnungswinkel. Diese Form des Kollektors 10 vereinfacht den Konstruktionsvorgang zur Herstellung des Kollektors 10 weiter.
In den Beispielen von 6A und 6B weist die Reflektoroberfläche 32 einen relativ großen Krümmungsradius auf, sodass der Öffnungswinkel etwa 5° beträgt und eine entweder kontinuierlich oder intermittierend arbeitende, grobe Sonnennachführvorrichtung erfordern würde. Diese Konstruktion enthält eine kleine Spitze, die sich von dem kleinen Öffnungswinkel erhebt. Die Wärmeleistung ist bei erhöhten Temperaturen ziemlich gut. 7 zeigt das Leistungsvermögen gegenüber dem Einfallswinkel des Ausführungsbeispiels von 6A und 6B für Konzentrationsfaktoren von zwei, drei, vier und fünf unter Vernachlässigung von Reflexions- oder Fresnel-Verlusten. Konzentrationen von etwa vier werden mit effizienten 5°-Öffnungseigenschaften erzielt.
Die Wärmeleistung für die dargestellten Ausführungsbeispiele der Figuren sind nachfolgend in Tabelle 1 gezeigt. Berechnungen wurden basierend auf einem meteorologischen Durchschnittsjahr in Albuquerque, New Mexico, durchgeführt. Die angenommene spezifische Ausstrahlung für den Absorber beträgt 0,05 bei T = 100°C und einem Absorptionsgrad von 0,95.
Tabelle 1 Wärmeleistung
Bei der Konstruktion des Kollektors 10 ist es auch bevorzugt, mehrere Klassen von Hochleistungs-Sonnenabsorberbeschichtungen auf dem Absorberrohr 28 und dem Wärmeleiter 30 zu verwenden. Die Beschichtungen können zum Beispiel Cermet mit einer sehr geringen spezifischen Ausstrahlung (etwa 0,02 bis 20°C) und einem hohen Absorptionsgrad (etwa 0,92) über das Sonnenspektrum sein. Cermets sind herkömmliche Materialien, die Schichten von dielektrischen Materialien haben, die einen speziellen Anteil einer Metallzusammensetzung enthalten, die auf einer metallischen Reflektorschicht mit einem Antireflexionsüberzug angeordnet sind. Die oberen Schichten haben geringere Metallanteile in dem dielektrischen Material als jene Schichten darunter. Die Schicht eines höheren Metallanteils an der Unterseite absorbiert mehr Energie, weil sichtbares Licht einfach durch die oberen Schichten läuft. Die Emission einer Schwarzkörperstrahlung (Wellenlänge > 2 mm) wird jedoch durch die Cermet-Dotierung ziemlich effektiv reflektiert. So wird eine Strahlungsemission von der unteren Schicht in dem Absorbermaterial gefangen, und nur die gering dotierte obere Schicht strahlt Wärme ab. Der abgestufte Metallgehalt vergrößert die Menge der von dem ankommenden Licht gesehene Atome, sodass mehr absorbiert wird, und reduziert auch die Anzahl Atome, die Wärme abstrahlen können.
Eine weitere Klasse von Materialien, die als Absorber brauchbar sind, sind gewisse Keramiken, die einfach mittels einer Vakuumabscheidung gefertigt werden können. Zum Beispiel können herkömmliche Schichten von TiN_xO_y und SiO₂/TiN_xO_y auf ein Aluminium- oder Kupfersubstrat abgeschieden werden, bis eine eingestellte Anreicherungsmenge gemessen worden ist, beide diese Arten von Materialien haben eine TiN_xO_y-Schicht mit einer Dicke von etwa 53 nm auf einem Substrat. Die zweite Art des Absorbermaterials hat eine Schicht von 90 nm SiO₂ hinzugefügt. Die thermischen Eigenschaften solcher Materialien sind für die Verwendung als Solarabsorber sehr günstig. Auf Kupfersubstraten kann ein Absorptionsgrad von 0,90 oder höher mit einer spezifischen Ausstrahlung von 0,06 bei T = 200°C erzielt werden, während Aluminiumsubstrate einen Absorptionsgrad von bis zu 0,95 und eine spezifische Ausstrahlung von 0,03 bis T = 100°C erreichen.
Die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele verwenden ein konzentrisch angeordneten Absorberrohr in einem zylindrischen Reflektorgehäuse, das evakuiert worden ist. Das Absorberrohr enthält ferner eine keilförmige Wärmeleitrippe, die mit dem Absorber verbunden ist, und enthält bevorzugt eine Absorberschicht (Absorptionsgrad größer als 0,90) mit einer geringen spezifischen Ausstrahlung (weniger als etwa 0,051, um einen sehr effizienten Sonnenkollektor zu erzielen. Die Einfachheit dieser Grundkonstruktion erlaubt eine einfache Herstellung, die Reduzierung von Konstruktionskosten, wodurch die Verwendung des Sonnenkollektors praktischer gemacht wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Ansprüche offensichtlich. Während bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, ist es für den Fachmann klar, dass Änderungen und Modifikationen ohne Verlassen des Schutzumfangs der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, vorgenommen werden können.

Claims

Nichtabbildender Sonnenkollektor (10), mit einem Außengehäuse (24), das wenigstens teilweise lichtdurchlässig ist, einem in dem Außengehäuse (24) angeordneten Absorber 128), einer Wärmeleitrippe (301, die mit dem Absorber (28) verbunden ist und von diesem vorsteht und eine Keilform aufweist, die als Funktion eines größer werdenden radialen Abstandes von dem Absorber (28) konisch zu einer geringeren Dicke zuläuft, und einem in dem Außengehäuse 124) angeordneten Reflektorelement (321, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (28) konzentrisch in dem Außengehäuse (24) angeordnet ist.
Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengehäuse 124) geschlossen und evakuiert ist.
Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengehäuse (24) ein transparentes Glas aufweist.
Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das Außengehäuse 124) ein zylindrisch geformtes Element aufweist.
Sonnenkollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (24) ein rohrförmiges Element aufweist.
Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner ein V-Nutenelement (34) als Teil des Reflektorelements enthält.
Sonnenkollektor nach Anspruch 6, bei welchem die Wärmeleitrippe (30) ein konisches Ende enthält und das V-Nutenelement (34) relativ zu dem konischen Ende der Wärmeleitrippe (30) symmetrisch angeordnet ist.
Sonnenkollektor nach Anspruch 7, bei welchem sich das konische Ende in das V-Nutenelement erstreckt.
Sonnenkollektor nach Anspruch 8, mit einem Öffnungswinkel von 40° und bei welchem sich das konische Ende etwa 2 mm in das V-Nutenelement erstreckt.
Sonnenkollektor nach Anspruch 8, mit einem Öffnungswinkel von 70° und bei welchem sich das konische Ende etwa 1 mm in das V-Nutenelement erstreckt.
Sonnenkollektor nach Anspruch 1, bei welchem das Reflektorelement eine reflektierende Schicht aufweist, die auf einem Substrat angeordnet ist, welches in dem Außengehäuse positioniert ist.
Sonnenkollektor nach Anspruch 11, bei welchem das Substrat mit reflektierender Schicht einen größeren Krümmungsradius als jeden des Außengehäuses aufweist.
Sonnenkollektor nach Anspruch 11, bei welchem das Außengehäuse eine Innenwand besitzt und das Substrat mit reflektierender Schicht einen Krümmungsradius der Innenwand aufweist.
Sonnenkollektor nach Anspruch 1, bei welchem der Absorber ein Substrat aufweist, das mit einem hocheffizienten Absorber beschichtet ist.
Sonnenkollektor nach Anspruch 14, bei welchem der hocheffiziente Absorber ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Cermet und Keramikmaterialien.
Sonnenkollektor nach Anspruch 15, bei welchem die Keramikmaterialien ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus TiN_xO_y und SiO₂/TiN_xO_y.
Sonnenkollektor nach Anspruch 16, bei welchem das Substrat ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Al und Cu.
Sonnenkollektor nach Anspruch 15, bei welchem das Cermet einen Schichtaufbau mit einer von Schicht zu Schicht variablen Fraktion des Metallgehalts aufweist.