DE69707889T2

DE69707889T2 - Sonnenenergie-kollektor

Info

Publication number: DE69707889T2
Application number: DE69707889T
Authority: DE
Inventors: H. Houtman
Original assignee: STM Power Inc
Current assignee: STM Power Inc
Priority date: 1996-07-22
Filing date: 1997-07-11
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2017-07-12
Also published as: AU734473B2; EP0914581B1; EP0914581A1; DE69707889D1; IL128175A; US5735262A; AU3656697A; IL128175A0; WO1998003823A1

Description

Diese Erfindung betrifft einen Sonnenenergieempfängeraufbau zum Empfangen von Sonnenenergie von einem Sonnenenergiekonzentrator.
Bei mehreren Energieversorgungsunternehmen liegen Planungen vor, große Felder von mit Sonnenenergie versorgten elektrischen Generatoren zu entwickeln, um zusätzliche Elektrizitätsmengen zu erzeugen, die während elektrischen Spitzenanforderungsperioden benötigt werden. Da Spitzenanforderungsperioden für Elektrizität während der Tageszeit auftreten, wenn mit Sonnenenergie versorgte elektrische Generatoren betreibbar sind, und da der Bedarf für Elektrizität bei Nacht häufig deutlich verringert ist, wenn mit Sonnenenergie versorgte, elektrische Generatoren sich nicht in Betrieb befinden, bieten mit Sonnenenergie versorgte, elektrische Generatoren eine ideale Quelle für Elektrizität für Energieversorgungsunternehmen zum Kompensieren dieser täglichen Schwankungen des Elektrizitätsbedarfs.
Energieversorgungsunternehmen sind daran interessiert, nicht nur Umweltbelange zu erfüllen, sondern auch Quellen erneuerbarer Energie zu nutzen, wie etwa Sonnenenergie, und die Erzeugung von Verschmutzungen zu vermeiden, die mit fossilem Brennstoff und Kernkrafterzeugungssystemen verbunden sind. Sie sind auch daran interessiert, die Kosten zu verringern, die mit der Erstellung, dem Betrieb und ggf. dem Stilllegen zusätzlicher Elektrizitätserzeugungsanlagen verbunden sind, die mit fossilem Brennstoff oder Kernbrennstoff betrieben werden. Kraftstoffkosten, insbesondere Kosten von fossilen Brennstoffen, wie etwa Öl, zeigten in der Vergangenheit starke Schwankungen und die Energieversorgungsunternehmen sind daran interessiert, Energiequellen zu entwickeln, die derartigen. Preisschwankungen nicht unterliegen. Felder von Sonnenkonzentratoren in Verbindung mit Stirlingkreislaufmotoren, die mit elektrischen Generatoren verbunden sind, werden für diese Arten von Elektrizitätsanwendungen ernsthaft in Betracht gezogen. Die Stirlingkreislaufmotoren und die diesbezüglichen Vorrichtungen zur Verwendung von Sonnenenergie, die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Sonnenenergiediffusor verwendet werden, können solche enthalten, die bereits durch den Inhaber der vorliegenden Erfindung entwickelt wurden, von Stirling Thermal Motors Inc., einschließlich diejenigen, die in den US-Patentnummern 4 707 990, 4 715 183, 4 785 633 und 4,911,144 beschrieben sind, die hiermit unter Bezugnahme zum Inhalt vorliegender Anmeldung erklärt werden.
Um im kommerziellen Maßstab kostenwirksam Elektrizität zu erzeugen unter Verwendung von Sonnenenergiekonzentratoren, Sonnenenergieempfängern, Stirlingkreislaufmotoren und elektrischen Generatoren in Kombination, müssen die Sonnenkonzentratoren unter Verwendung von Reflektoren erstellt werden, die relativ nicht perfekte optische Merkmale aufweisen, wie etwa Spiegel, die gebildet werden durch Anbringen der Ränder von verspiegeltem Membranmaterial an einem starren Rahmen, und durch Aufbringen eines Vakuums auf die Rückseite der Membran, um diese dazu zu veranlassen, eine konkave, reflektierende Oberfläche zu bilden. Relativ perfekte Reflektoren, wie etwa Spiegel von Laborqualität, die in Teleskopen verwendet werden, sind weitaus zu teuer, um in kommerziellen Sonnenenergiesammelsystemen verwendet zu werden.
Anstelle der Herstellung extrem großer, einzelner Reflektoren ist es häufig viel kosteneffektiver, eine Ansammlung kleinerer Reflektoren (auch als Facetten bezeichnet) in eine Gruppierung zusammenzustellen, die die Reflexionseigenschaften eines größeren, einzigen Reflektors simulieren. Diese Gruppierung kleinerer Reflektoren sammelt den Hauptteil der Sonnenenergie, der gesammelt werden könnte durch einen äquivalent bemessenen, einzigen Reflektor; sie sind jedoch viel einfacher herzustellen und zu warten. Da jede Facette der Reflektorgruppierung geringfügig unterschiedliche optische Eigenschaften besitzt und niemals perfekt ausgerichtet werden kann mit dem Sonnenenergieempfänger, ist die Sonnenenergie, die auf den Sonnenenergleempfänger durch eine Gruppierung von Reflektorfacetten konzentriert wird, unvermeidlich weniger gleichmäßig als diejenige durch einen äquivalent bemessenen, einzigen Reflektor.
Umweltfaktoren, wie etwa Wind, und mechanische Faktoren, wie etwa Materialermüdung, können ebenfalls die Verteilung der Energie dynamisch ändern, die durch die Reflektoren in den Empfänger konzentriert wird.
Wenn ein Sonnenenergieempfänger entworfen und konstruiert wird, ist es bevorzugt, dass die Empfängerröhren, die Sonnenenergie absorbieren, so kurz wie möglich gemacht werden. Zusätzliche Empfängerröhrenlänge verursacht zusätzliche Reibungsenergieverluste und reduziert den Wirkungsgrad des Empfängersystems. Die zur Herstellung der Röhren verwendeten Materialien besitzen jedoch inhärente Beschränkungen, welche die maximale Energieflussmengen begrenzen, der die Röhren störungsfrei ausgesetzt werden können. Während die Temperatur der Röhrenwandungen üblicherweise reguliert wird durch das Arbeitsfluid, das innerhalb der Röhren zirkuliert, können unbeabsichtigt hohe Energiekonzentrationen "heiße Flecken" hervorrufen, die zu katastrophalen Röhrenstörungen führen können.
Sonnenreflektoren sind typischerweise mit den Sonnenenergieempfängern derart ausgerichtet, dass der Brennpunkt des Reflektors hinter den Empfängerröhren zu liegen kommt. Die erwartete Konzentration der Sonnenenergie im Bereich der Empfängerröhren bei dieser Konfiguration kann visualisiert werden als Doughnut-förmiger oder innenröhrenförmiger Bereich mit hohem Energiefluss. Wenn die Reflektoren optisch nicht perfekt oder richtig positioniert und ausgerichtet sind, können heiße Flecken (Bereiche mit unbeabsichtigt überkonzentrierter Energie) gebildet werden. Wenn der Energiefluss in einem dieser heißen Flecken ausreichend hoch ist, können die Röhrenmaterialbegrenzungen überschritten werden und die Röhren können ausfallen. Um den normalen Pegel einer nicht gleichmäßigen Flussverteilung zu kompensieren, der unter diesen Llmständen zu erwarten wäre, und um zu verhindern, dass Spitzenwertflusspegel die Röhrentemperaturen veranlassen, ihre konstruktionsbedingten Materialgrenzen zu überschreiten, muss in die Sonnenenergleempfänger gemäß dem Stand der Technik ein großer Sicherheitsabstand zwischen erwarteten Flusspegeln und maximal zulässigen Röhrenmaterialflusspegeln eingebaut werden. Um diesen großen Sicherheitsabstand bereit zu stellen, wurden die Empfänger ein gutes Stück außerhalb der optimalen Brennweite der Reflektoren angeordnet, die Empfänger wurden in Kammern untergebracht, die größer sind als dies im übrigen erforderlich wäre, um diese geringere fokussierte Energie aufzunehmen, und die Empfängerröhrenlängen wurden erhöht, damit sie mehr als diese geringe fokussierte Sonnenenergie aufnehmen können. Während diese Modifikationen das Problem der heißen Flecken/Röhrenstörungen berücksichtigen, führen sie dazu, dass in den Sonnenenergieempfängern und dem gesamten Sonnenenergiesammelsystem gemäß dem Stand der Technik signifikante Unzulänglichkeiten eingeführt wurden.
Bisherige Versuche zur Überwindung dieses Problems waren darauf konzentriert, die Reflektoren präziser abzustimmen, um den durch die Empfänger gesehenen Energiefluss stärker zu regulieren. Während Versuche offensichtlich fortgesetzt werden, sowohl die optischen Qualitäten von kostengünstigen Reflektoren wie die Fähigkeit zu verbessern, diese Arten von Reflektoren geeignet zu positionieren und auszurichten, beschreitet der erfindungsgemäße Diffusor die entgegengesetzte Vorgehensweise. Der Diffusor empfängt die nicht perfekt fokussierte Sonnenenergie, die durch die Sonnenkollektoren gemäß dem Stand der Technik gesammelt werden und verteilt die Sonnenenergie, bevor diese den Empfänger kontaktiert. Erlaubt ist, dass der Empfänger mit einem erwarteten Flusspegel entworfen wird, der näher an den Materialgrenzen der Empfängerröhre selbst liegt, wodurch die Leistungseigenschaften von Sonnenenergiesammelsystemen unter Verwendung herkömmlicher Sonnenenergiekonzentratoren dramatisch verbessert werden können.
Ein weiteres, mit herkömmlichen Sonnenempfangseinheiten verbundenes Problem besteht in dem Energieverlust, der mit der Zirkulation von Luft in die Empfängerkammer hinein und aus dieser heraus verbunden ist. Sonnenenergieempfänger sind typischerweise in einem Gehäuse angeordnet, das aus feuerfesten Ziegeln aufgebaut ist. Die Öffnung, durch die die Sonnenenergie empfangen wird, ist üblicherweise enger bzw. schmaler als die Gruppierung von Empfängerröhren, um den Energieverlust aus dem System heraus zu begrenzen.
Bei einigen Sonnenenergieempfängern gemäß dem Stand der Technik wurde eine Quarzlinse über der Öffnung angeordnet, um den Energieverlust zu begrenzen, der mit der Zirkulation von Luft in die Empfängerkammer hinein und aus dieser heraus verbunden ist. Diese Typen von Linsen sind jedoch sehr teuer und wenn sie schmutzig werden, kann zunehmend weniger verfügbare Lichtenergie in die Empfängerkammer hinein gelangen, die stattdessen durch die Verschmutzungen absorbiert wird, was zu einer Störung bzw. zu einem Ausfall der Linse führen kann.
Aus der WO-94/06046 ist eine Energieleitvorrichtung zur Verwendung mit Energie bekannt, die einen wellenartigen Ausbreitungsmodus besitzt, wobei die Vorrichtung eine Gruppierung von reflektierenden Elementen umfasst, wobei die Gruppierung eine gekrümmte Oberfläche aufweist, wobei die Elemente der Gruppierung mit ihren reflektierenden Oberflächen im Wesentlichen senkrecht zur Krümmungsoberfläche zu liegen kommen.
Der erfindungsgemäße Diffusor verringert die Konvektionsenergieverluste, die mit den offenen Sonnenempfängerkammern gemäß dem Stand der Technik verbunden sind, weil die Zellenstruktur des erfindungsgemäßen Diffusors den Austausch von heißer Luft im Bereich der Empfängerröhren mit kühlerer Außenluft begrenzt, insbesondere Luftaustausch auf Grund von Turbulenz, die mit der Luftströmung verbunden ist, die üblicherweise parallel zur Öffnung des Empfängers verläuft. Die zusätzliche Wärme, die in der Empfängerkammer rückgehalten wird, führt zu einem erhöhten Wirkungsgrad der Sonnenenergieempfängereinheit und des gesamten, den Diffusor enthaltenden Sonnenenergiesammelsystems.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den anliegenden Ansprüchen in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sonnenenergieempfängers, der den erfindungsgemäßen Diffusor enthält;
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Diffusors mit Energieverteilungshohlräumen mit rechteckigen Querschnitten;
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsnahdarstellung von einem der Energieverteilungshohlräume des erfindungsgemäßen Diffusors von Fig. 2 unter Darstellung unterschiedlicher, beispielhafter Sonnenenergiestrahlenpfade;
Fig. 4a und 4b zeigen Querschnittsansichten von zwei Sonnenenergieempfänger, von denen der erste den erfindungsgemäßen Diffusor enthält, während der zweite den erfindungsgemäßen Diffusor nicht enthält;
Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht eines, den erfindungsgemäßen Diffusor enthaltenden, sonnenenergiegespeisten Elektrizitätserzeugungssystems.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Ein Diffusor in Übereinstimmung mit dieser Erfindung ist in Fig. 1 in einem Sonnenenergieempfänger installiert gezeigt und allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Der Diffusor 10 ist in dem Sonnenenergieempfänger 12 zwischen einer Empfängeröffnung 14 und Empfängerröhren 16 installiert. Der Sonnenenergieempfänger 12 weist feuerfeste Ziegel oder eine Isolation 18 vom Faserplattentyp auf, die die Wärme in der Empfängerkammer 20 umgeben und zurückhalten. In den Energieempfänger 12 durch die Empfängeröffnung 14 eintretende Sonnenenergie 22 durchsetzt den oberen Teil der Empfängerkammer 20 und tritt in den Diffusor 10 durch eine Mehrzahl von äußeren Öffnungen 24 ein. Von den äußeren Öffnungen 24 ausgehend, durchsetzt die Sonnenenergie 22 eine Mehrzahl von Energieverteilungshohlräumen 26, und sie wird von dem Diffusor 10 zu einer Mehrzahl von inneren Öffnungen 28 emittiert. Wie nachfolgend näher erläutert, wird ein Teil der Sonnenenergie, die die Energieverteilungshohlräume 26 durchsetzt, ein- oder mehrmals durch Hohlraumwände 30 reflektiert und aus den Hohlräumen über innere Öffnungen 28 mit einer unterschiedlichen und Einer stärker verteilten Ausrichtung emittiert, als sie in die Hohlräume eingetreten ist. Ein Teil der Sonnenenergie 22, die die Energieverteilungshohlräume 28 durchsetzt, kontaktiert die Hohlraumwände 30 nicht und bleibt unbeeinflusst durch den Diffusor 10. Nachdem sie von dem Diffusor 10 an inneren Öffnungen 28 emittiert wurde, durchsetzt die Sonnenstrahlungsenergie 22 den unteren Abschnitt der Empfängerkammer 20 und wird im Wesentlichen durch die Empfängerröhren 16 absorbiert. Durch die Empfängerröhren 16 zirkulierendes Arbeitsfluid überträgt die Sonnenenergie 22 zu einer Vorrichtung, die die Energie nutzt, wie etwa zu einem Stirlingkreislaufmotor.
Während der Diffusor 10 an beliebiger Stelle zwischen dem Sonnenkonzentrator und den Empfängerröhren 16 angeordnet sein kann, ist es bevorzugt, den Diffusor 10 so nahe wie möglich an den Empfängerröhren 16 anzuordnen. Dies erlaubt es, dass die Sonnenstrahlenkonzentratoren fokussiert werden in einer Art und Weise, als ob der Diffusor 10 nicht vorhanden wäre. Der Diffusor 10 verteilt daraufhin die eintreffende Sonnenenergie 22, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass unbeabsichtigt heiße Flecken gebildet werden, die Röhrenstörungen hervorrufen können. Die Umgebung, benachbart zu den Empfängerröhren 16, ist jedoch kritisch, weil sie sowohl extrem hohen Temperaturen als auch großen Temperaturschwankungen unterworfen ist. Da der Diffusor 10 nicht extern gekühlt wird, wie die Empfängerröhren 16 durch das Arbeitsfluid, muss der Diffusor 10 sich in der Lage befinden, große Wärmemengen abzustrahlen, um in einer ungünstigen Arbeitsumgebung zu überleben.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Diffusors 10 in perspektivischer Ansicht. Die äußeren Öffnungen 24 und die inneren Öffnungen 28 (nicht gezeigt) besitzen sechseckige Form und die Energieverteilungshohlräume 26 besitzen sechseckige Querschnitte. Diese Form erlaubt es den einzelnen Energieverteilungshohlräumen 26, innerhalb des Diffusors 10 eng gebündelt zu werden, und sie führt zu einer Verringerung der benötigten Dicke der Hohlraumwände 30. Eine Minimierung der Wanddicke ist wichtig, weil diejenigen Teile der Hohlraumwände 30, die senkrecht zur, Richtung der eintreffenden Sonnenenergie 22 verlaufen, Sonnenenergie vom Diffusor 10 weg reflektieren, wobei der größte Teil dieser reflektierten Energie durch die Empfängeröffnung 14 aus dem Sonnenenergieempfänger 12 hinaus reflektiert wird und verloren geht. Ein Minimieren der Wanddicke ist ebenfalls wichtig, weil dies die Diffusormasse gegenüber dem Oberflächenverhältnis reduziert, wodurch die Fähigkeit des Diffusors erhöht wird, Wärme abzustrahlen. Gebündelte, sechseckige Formen vermögen außerdem einen großen Teil der strukturellen Festigkeit für den Diffusor 10 bereit zu stellen. Der Diffusor 10 ist idealerweise strukturell selbsttragend gebildet und ausschließlich mit den übrigen Bestandteilen des Sonnenenergieempfängers 12 an seiner Peripherie verbunden, wo der Diffusor an den feuerfesten Ziegeln 18 angebracht ist. Der Diffusor 10 kann alternativ aus gebündelten Röhren mit kreisförmigen, quadratischen oder rechteckigen Querschnitten erstellt sein, oder aus einer Vielzahl anderer alternativen Formen, um eng gebündelte Energieverteilungshohlräume bereit zu stellen. Die kommerzielle Verfügbarkeit von Konstruktionsmaterialien, die mit der offenbarten Ausführungsform konsistent sind, führt dazu, dass es sich hierbei um eine bevorzugte kommerzielle Ausführungsform des Diffusors 10 handelt.
Während die Hohlraumwände 30 in Fig. 1 und 2 als senkrecht zur Empfängeröffnung 14, und gleichmäßig parallel zueinander verlaufend gezeigt sind, ist der erfindungsgemäße Diffusor 10 nicht auf diese speziellen Konfigurationen beschränkt. Eine alternative Ausführungsform des Diffusors kann beispielsweise erstellt werden durch Ermitteln der Energiemenge, von der erwartet wird, dass sie in jedem diskreten Energieverteilungshohlraum 26 von dem Sonnenkonzentrator ausgehend eintritt sowie ihre relative Ausrichtung, und daraufhin wird die Ausrichtung der Hohlraumwände 30 verändert, um diese Energie gleichmäßig entlang den Oberflächen der Empfängerröhren 16 zu verteilen.
Der Diffusor 10 kann aus einem beliebigen Material hergestellt sein, das für Sonnenenergie 22 hochgradig reflektierend und dazu in der Lage ist, unter den extremen Umgebungsbedingungen innerhalb des Energieempfängers 12 zu überlegen. Geeignete Materialien zum Erstellen des Diffusors 10 umfassen Keramik und beschichtete Metallmaterialien. Es wird davon ausgegangen, dass auf Aluminiumoxyd basierende Keramikmaterialien, die in Honigwabenflachmaterialstrukturen ausgeführt sind, das beste kommerziell verfügbare Material zur Herstellung des erfindungsgemäßen Diffusors darstellen. Diese Arten von Keramikmaterialien können hochgradig reflektierend sein für einfallende Sonnenenergie, und sie sind außerdem in der Lage, die Sonnenergle, die durch den Diffusor absorbiert wird, problemlos erneut abzustrahlen. Honigwabenkeramikmaterialien, hergestellt durch Corning Incorporated, Corning, New York 14831, zeigen akzeptable Konstruktionsspezifikationen für den erfindungsgemäßen Diffusor.
In Fig. 3 ist eine Querschnittsnahdarstellung eines einzelnen Energiediffusionshohlraums mit einer Vielzahl von beispielhaften Strahlenpfaden gezeigt. Das Verhalten der Sonnenenergie 22 kann durch Strahlenpfade in wirksamer Weise dargestellt werden, die parallel zur Ausbreitungsrichtung verlaufen. In Fig. 3 tritt eintreffende Sonnenenergie 22 in den Energieverteilungshohlraum 26 über die äußere Öffnung 24 ein und verlässt den Energieverteilungshohlraum 26 über die innere Öffnung 28. Ein Teil der Sonnenenergie 22, die in den Energieverteilungshohlraum 26 über die äußere Öffnung 24 eintritt, wird durch Hohlraumwände 30 reflektiert, bevor sie den Energieverteilungshohlraum 26 über die innere Öffnung 28 verlässt. Wie aus dem Nachfolgenden hervorgeht, besitzt diese reflektierte Sonnenenergie eine unterschiedliche und stärker verteilte Orientierung, wenn sie den Energieverteilungshohlraum. 26 über die innere Öffnung 28 verlässt als diejenige Orientierung, die sie aufweist, wenn sie in den Energieverteilungshohlraum 26 über die Öffnung 24 eintritt.
Der Strahlenpfad 32 stellt Sonnenenergie 22 dar, die in den Energieverteilungshohlraum 26 über die äußere Öffnung 24 in einer relativen Stellung innerhalb der äußeren Öffnung 24 eintritt sowie unter einem Einfallswinkel, der es ihm erlaubt, durch den Energieverteilungshohlraum 26 hindurch zu treten, ohne die Hohlraumwände 30 zu kontaktieren. Wenn die Hohlraumwände 30 des Diffusors 10 senkrecht zur äußeren Öffnung 24 verlaufen, durchsetzt jegliche Sonnenenergie 22, die in den Energieverteilungshohlraum 26 senkrecht zur äußeren Öffnung 24 eintritt, den Energieverteilungshohlraum 26, ohne neu ausgerichtet oder verteilt zu werden. Der Anteil der Sonnenenergie 22, der den Energieverteilungshohlraum 26 ungeändert durchsetzt, ist eine Funktion des Bereichs der relativen Einfallswinkel der Energie, die in den Energieverteilungshohlraum 26 eintritt, und der Geometrie des Energieverteilungshohlraums. Je größer das Verhältnis zwischen der Länge des Energieverteilungshohlraums 26 und dem Durchmesser der äußeren Öffnung 24 ist, um so geringer ist der Anteil an Sonnenenergie 22, der den Energieverteilungshohlraum 26 durchsetzt, ohne neu ausgerichtet und verteilt zu werden.
Der Strahlenpfad 34 stellt Sonnenenergie 22 dar, die in den Energieverteilungshohlraum 26 über die äußere Öffnung 24 in einer relativen Stellung innerhalb der äußeren Öffnung 24 eintritt und mit einem derartigen Einfallswinkel, dass die Sonnenenergie 22 einmal von der Hohlraumwand 30 wegreflektiert wird, bevor sie den Energieverteilungshohlraum 26 über die innere Öffnung 28 verlässt. Wie anhand des Strahlenpfades 34 ersichtlich, besitzt die Sonnenenergie 22, die von dem Energieverteilungshohlraum 26 für diese Arten von Sonnenstrahlen reflektiert wird, eine umgekehrte Ausrichtung im Vergleich zu der Ausrichtung dieser Arten von Strahlenpfaden, die diese hätten, wenn sie in den Energieverteilungshohlraum 26 eintreten.
Der Strahlenpfad 36 gibt Sonnenenergie 22 wieder, die in den Enerqieverteilungshohlraum 26 über die äußere Öffnung 24 in einer relativen Stellung innerhalb der äußeren Öffnung 24 eintritt sowie mit einem derartigen Einfallswinkel, dass die Sonnenenergie 22 zweimal von der Hohlraumwand 30 wegreflektiert wird, bevor sie durch die innere Öffnung 28 den Energieve rteilungshohlraum 26 verlässt. Wie anhand dieses Strahlenpfades hervorgeht, wird die Sonnenenergie 22 von dem Energieverteilungshohlraum 26 mit einer Ausrichtung emittiert, die identisch ist zu derjenigen, die auftritt, wenn er in den Energieverteilungshohlraum 26 eintritt; dieser Strahlenpfad ist jedoch räumlich versetzt relativ zu dem ankommenden Strahlenpfad. Offensichtlich gibt es Strahlenpfade, bei denen die Sonnenenergie von den Hohlraumwänden 30 drei-, vier- oder mehrmals reflektiert wird, bevor sie aus dem Energieverteilungshohlraum 26 emittiert wird.
Wie anhand der Strahlenpfade 34 und 36 hervorgeht, wird Sonnenenergie, die von der Seite der Hohlraumwände 30 wegreflektiert wird, in zwei Arten erneut ausgerichtet, nämlich entweder richtungsmäßig oder räumlich. Diese Hohlraumneuorientierungseffekte dienen dazu, die ankommende Sonnenenergie durch Unterbrechen des fokussierten Charakters der Sonnenenergie zu zerstreuen und zu diffundieren bzw. zu teilen, die von dem Sonnenenergiekonzentrator empfangen wird.
Zur Demonstration der Wirkungen der sich ausbreitenden Strahlenpfade 34 und 36 wurde angenommen, dass die Sonnenenergie 22 von der Hohlraumwand 30 spiegelnd reflektiert wird. Spiegelreflexion wird üblicherweise als spiegelartige Reflexion bezeichnet, wobei der abgehende Strahl die reflektierende Oberfläche als Spiegelbild des ankommenden Strahls verlässt. Spiegelreflexion tritt auf, wenn die Oberfläche im Vergleich zur Wellenlänge der ankommenden Strahlung glatt ist (d. h., wenn die Rauhigkeit der Oberfläche geringer als ein Zehntel der Wellenlänge der reflektierten elektromagnetischen Strahlung ist). Ein zweiter Typ von Reflexion, die diffuse Reflexion, tritt auf, wenn die Oberflächenrauhigkeit das Doppelte der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung übersteigt. Wenn Strahlenpfade diffus reflektiert werden, wird die Energie weg von der Oberfläche in gleichmäßige, halbkugelförmige Richtungen, ausgehend vom Kontaktpunkt, reflektiert.
Der Strahlenpfad 38 demonstriert die Wirkungen der diffusen Reflexion weg von der Oberfläche der Hohlraumwand 30. Wenn Sonnenenergie 22, die sich entlang dem Strahlenpfad 38 ausbreitet, durch die Hohlraumwand 30 diffus reflektiert wird, wird die Energie von der Hohlraumwand 30 gleichmäßig weg in sämtliche Richtungen reflektiert. Ein Teil der Energie wird unter Winkeln reflektiert, unter denen sie direkt zurück aus dem Hohlraum heraus reflektiert werden; ein Teil der Energie wird unter Winkeln reflektiert, unter denen sie direkt durch den Hohlraum hindurch tritt, und ein Teil der Energie wird unter Winkeln reflektiert, unter denen die Energie zumindest einmal von einer Wand des Hohlraums wegreflektiert wird, bevor sie den Hohlraum verlässt. Ein Teil der daraufhin erneut reflektierten Energie durchsetzt ggf. den Hohlraum und ein Teil wird aus dem Hohlraum heraus zurück emittiert.
Wie am besten anhand des Strahlenpfades 38 zu erkennen, wird Sonnenenergie 22, die von der Seite der Hohlraumwände 30 wegreflektiert wird, gleichmäßig disorientiert und verliert sofort jeglichen fokussierten Charakter. Ein Teil der diffus reflektierten Energie wird jedoch aus dem Diffusor heraus reflektiert und geht verloren.
Der Strahlenpfad 40 demonstriert die Wirkungen einer gemischten Reflexion, die sowohl spiegelnde wie diffuse Eigenschaften hat. Gemischte Reflexionen treten typischerweise dann auf, wenn die Rauhigkeit der Oberfläche zwischen einem Zehntel und dem Doppelten der Wellenlänge der reflektierten elektromagnetischen Strahlung liegt. Bei diesen Arten von Reflexionen wird ein Teil der Energie in der üblichen Spiegelbildrichtung reflektiert, obwohl ein Teil der Energie auch in einer üblicherweise diffusen Weise reflektiert wird.
Um einen optimalen Sonnenenergiediffusor für ein bestimmtes Sonnenenergiesammelsystem zu konstruieren, müssen die spiegelnden zu den diffusen Reflexionseigenschaften der Materialien oder der Materialien, die die Hohlraumwände 30 bilden, und die relative Geometrie der energiediffundierenden bzw. - verteilenden Hohlräume ausgeglichen werden, um den gewünschten Grad an Diffusion bzw. Verteilung in dem Diffusor bereit zu stellen. Die Fähigkeit der Materialien, die den Diffusor bilden, in der Umgebung innerhalb der Empfängerkammer 20 zu überleben, muss ebenfalls in Betracht gezogen werden. Lange, schmale Hohlräume, die Hohlraumwände besitzen, die hochgradig diffus reflektierend sind, diffundieren im Wesentlichen einen größeren Teil der eintreffenden Sonnenenergie als kurze, breite Hohlräume, die Hohlraumwände besitzen, die hochgradig spiegelnd reflektierend sind. Außerdem ist es möglich, Materialien zu wählen, die wellenlängenunabhängige Wirkungen zeigen, wie etwa Materialien, die den größten Teil der einfallenden Energie ausschließlich im Wellenlängenspektrum der eintreffenden Sonnenstrahlung reflektieren (von 0,2 bis 2,0 Mikrometer).
Wenn das Verhältnis der Länge des Energieverteilungshohlraums zum Durchmesser des Energieverteilungshohlraums zunimmt, nähert sich das offensichtliche Emissionsvermögens des Hohlraums dem Wert 1, der für einen schwarzen Körper gilt. Je näher das offensichtliche Emissionsvermögen des Hohlraums an 1 liegt, umso weniger wird die in den Diffusor gelangende Energie ggf. zurück durch den Diffusor reflektiert. Eine Ausführungsform des Diffusors 10 mit einer Matrix von Energieverteilungshohlräumen, die ungefähr 10 mm in der Breite und 50 mm in der Länge betragen, ist voraussichtlich geeignet, eine zufriedenstellende Verteilungswirkung zu erzeugen sowie ein gleichmäßiges Energiemuster, das den Diffusor verlässt.
Weil der Diffusor die eintreffende Sonnenenergie 22 erneut ausrichtet und verteilt bzw. zur Diffusion bringt, wird die Wahrscheinlichkeit von heißen Flecken verringert und der Sonnenenergieempfänger 12 kann mit erwarteten Energieflusspegeln konstruiert werden, die viel näher an den Materialgrenzen der Empfängerröhren 16 liegen. Dies erlaubt es, dass die Sonnenenergiekonzentratoren dort positioniert werden können, wo sie eine stärker fokussierte Zufuhr an Sonnenenergie in den Sonnenenergieempfänger bereit stellen, und dies erlaubt es, dass die Größe von sowohl der Empfängerkammer 20 als auch den Empfängerröhren 16 verringert werden kann, um diese stärker fokussierte Energie aufnehmen zu können, wodurch der gesamte Wirkungsgrad des Sonnenenergieempfängers und des gesamten Sonnenenergiesammelsystems dramatisch verbessert werden kann.
Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Diffusors wird eine zweite Art an Wirkungsgrad ebenfalls erhöht. Fig. 4a und 4b zeigen die Zirkulation von Luft innerhalb eines Sonnenenergieempfängers, der den Diffusor 10 enthält, und innerhalb eines herkömmlichen, offenen Sonnenenergieempfängers ohne den erfindungsgemäßen Diffusor. In Fig. 4a durchsetzt ein Luftstrom 50 mit allgemein kreuzförmiger Apertur die Empfängeröffnung 14 und gelangt in die obere Empfängerkammer 20. Wenn der Luftstrom 50 innerhalb der oberen Empfängerkammer 20 refletiert, durchsetzt ein nicht abgelenkter Teil 52 des Luftstroms die Energieverteilungshohlräume 26 des Diffusors 10, gelangt in den unteren Teil der Empfängerkammer 20, gelangt in Kontakt mit den Empfängerröhren 16 und tritt aus dem unteren Teil der Empfängerkammer 20 über die Energieverteilungshohlräume 26 aus. Der andere, nicht abgelenkte Teil 24 des Luftstroms 50 wird entlang der Oberseite des Diffusors 10 abgelenkt und zirkuliert nicht in den unteren Teil der Empfängerkammer 20. Derjenige Teil des Luftstroms 50, der durch den Diffusor 10 abgelenkt wird, hängt ab von der Windgeschwindigkeit, dem Einfallswinkel des Luftstroms, wenn er den Diffusor kontaktiert, der Geometrie von jedem Hohlraum und der relativen Glätte oder Rauhigkeit des Materials, das zur Herstellung des Diffusors verwendet wird. Fig. 4b zeigt einen ähnlichen Luftstrom 50 mit allgemein kreuzförmiger Apertur, der die Empfängeröffnung 14 durchsetzt und in die Empfängerkammer 20 gelangt, in der kein Diffusor 10 vorhanden ist. Weil keine physikalische Begrenzung vorliegt, die den oberen Teil der Empfängerkammer 20 vom unteren Teil der Empfängerkammer trennt, neigt der Luftstrom 50 dazu, entlang der Außenseite der Empfängerkammer allgemein zu zirkulieren, wo er in Kontakt mit den Empfängerröhren 16 gelangt, woraufhin er die Empfängerkammer über die Empfängeröffnung 14 verlässt. Da die im unmittelbaren Bereich der Empfängerröhren 16 zirkulierender Luft Energie von dem Sonnenenergieempfänger 12 abzieht und der Diffusor die Menge an in diesem Bereich zirkulierender Luft begrenzt, erhöht der erfindungsgemäße Diffusor den Wirkungsgrad des Sonnenenergieempfängers im Vergleich zu den offenen Sonnenenergieempfängern gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 5 zeigt ein typisches System zum Umsetzen von Sonnenenergie in elektrische Energie, das den erfindungsgemäßen Diffusor enthält. Ein Sonnenenergiekonzentrator 56, der allgemein aus einem parabolischen Reflektor besteht, der eine Gruppierung von parabolischen Reflektorfacetten aufweist, konzentriert Sonnenenergie in den Sonnenenergieempfänger 12 hinein. Die Sonnenenergie wird durch die Empfängerröhren absorbiert und auf das Arbeitsfluid übertragen. Das Arbeitsfluid wird daraufhin zu einem Stirlingkreislaufmotor 58 umgewälzt, der die Wärmeenergie in mechanische Drehenergie umsetzt. Diese mechanische Drehenergie wird durch einen Elektrizitätsgenerator 60 in elektrische Energie umgesetzt, die auf ein elektrisches Stromverteilungsnetz übertragen werden kann. Wie vorstehend angeführt, erlaubt der erfindungsgemäße Diffusor, dass optisch nicht perfekte, kosteneffektive Reflekroren näher an die Empfängerröhren fokussiert werden können, und zwar mit zu erwartenden Flusspegeln, die näher an den Materialgrenzen der Röhren liegen, wobei weniger befürchtet werden muss, dass nicht beabsichtigte, heiße Flecken gebildet werden, die katastrophale Röhrenstörungen hervorrufen können, und durch die Verwendung kürzerer Röhren und kompakterer Empfängergehäuse wird der Gesamtwirkungsgrad des Sonnenenergieempfängers verbessert. Außerdem lenkt der Diffusor die zuströmende Luft ab und verringert die Energieverluste, die mit einem Austausch von Luft in die Empfängerkammer hinein und aus dieser heraus verbunden sind. Dieser verbesserte Wirkungsgrad führt zu einer dramatischen Verbesserung des gesamten Wirkungsgrades des gesamten Elektrizitätserzeugungssystems mit Sonnenenergiespeisung.

Claims

1. Sonnenenergieempfängeraufbau zum Empfangen von Sonnenenergie von einem Sonnenenergiekonzentrator 56, wobei der Sonnenenergieempfängeraufbau gekennzeichnet ist durch:

Einen Sonnenenergieempfänger 12 mit einer isolierten Empfängerkammer 20 und einer offenen Empfängeröffnung 14, durch die Luft und Sonnenenergie in die Empfängerkammer 20 eintreten gelassen werden, eine Einrichtung zum Absorbieren von Sonnenenergie 16, die an dem Sonnenenergieempfänger 12 innerhalb der Empfängerkammer 20 befestigt und in Gegenüberlage zu der Empfängeröffnung 14 angeordnet ist, einen Diffusor 10 mit einer relativ dünnen, flachen Struktur, der in der Empfängerkammer 20 zwischen der Empfängeröffnung 14 und der Einrichtung zum Absorbieren von Sonnenenergie 16 angeordnet ist und ungefähr parallel zu der Empfängeröffnung 14 zu liegen kommt, wodurch ein unterer Teil der Empfängerkammer 20 erzeugt wird, wobei der Diffusor 10 eine Mehrzahl von offenen Hohlräumen 26 aufweist, wobei jeder der Hohlräume 26 eine äußere Öffnung 24, eine innere Öffnung 28 und Seitenwände 30 aufweist, wobei die Hohlräume 26 derart positioniert sind, dass die Sonnenenergie empfangen wird in die Hohlräume, ausgehend von dem Sonnenenergiekonzentrator 56, über die äußere Öffnung 24, und dass sie aus den Hohlräumen 26 zu der Einrichtung zum Absorbieren von Sonnenenergie 26 über die inneren Öffnungen 28 emittiert wird, wobei die Hohlräume 26 Luft hindurch treten lassen, wobei die Zirkulation von Luft innerhalb des unteren Teils der Empfängerkammer 20 in der Nähe der Einrichtung zum Absorbieren der Sonnenenergie 16 begrenzt wird.

2. Sonnenenergieempfängeraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume 26 dicht gebündelt sind.

3. Sonnenenergieempfängeraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor 10 selbststragend ist.

4. Sonnenenergieempfängeraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor 10 aus einem Material gebildet ist, das für Sonnenenergie hochgradig reflektierend ist, oder dass der Diffusor 10 eine Außenfläche aufweist, die aus einem Material gebildet ist, das für Sonnenstrahlung hochgradig sowie primär spiegelnd reflektierend ist.

5. Sonnenenergieempfängeraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieverteilungshohlräume 26 sechseckige Querschnitte aufweisen.

6. Sonnenenergieempfängeraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieempfangseinrichtung 16 außerdem gekennzeichnet ist durch Heizerröhren und Arbeitsfluid, das in den Heizerröhren zirkuliert.

7. Sonnenenergieempfängeraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusoreinrichtung 16 aus Material gebildet ist, das auf Aluminiumoxyd basiert.

8. Sonnenenergieempfängeraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der mittleren Länge der Seitenwände 30 geteilt durch die mittlere Breite der äußeren Öffnungen 24 zwischen 1 und 7 beträgt.

9. Sonnenenergieempfängeraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der mittleren Länge der Seitenwände 30 geteilt durch die mittlere Breite der äußeren Öffnungen 24 zwischen 4 und 6 beträgt.

10. Sonnenenergieempfängeraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelenergieempfänger 12 feuerfeste Ziegel oder eine Isolation 18 aus Faserplatten aufweist, die die Wärme in der Empfängerkammer 20 umgeben und rückhalten.

13. Sonnenenergieempfängeraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieverteilungshohlräume 26 kreisförmige Querschnitte besitzen.

12. Sonnenenergieempfängeraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieverteilungshohlräume 26 quadratische Querschnitte aufweisen.

13. Sonnenenergieempfängeraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieverteilungshohlräume 26 rechteckige Querschnitte aufweisen.

14. Sonnenenergieempfängeräufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor 16 aus Keramik und/oder beschichteten Metallmaterialien gebildet ist.

15. Sonnenenergieempfängeraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor 16 aus honigwabenförmigen Keramikmaterialien gebildet ist.

16. Sonnenenergieempfängeraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor 16 aus Materialien gebildet ist, die wellenlängenabhängige Effekte zeigen, wie etwa Materialien, die den größten Teil der einfallenden Energie ausschließlich in dem Wellenlängenspektrum der eintreffenden Sonnenstrahlung reflektieren, d. h., von 0,2 bis 2,0 Mikrometer.

17. Sonnenenergieempfängeraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor 10 innerhalb der Empfängerkammer 20 angeordnet ist, um einen oberen und unteren Teil der Empfängerkammer 20 zu erzeugen.

18. Verwendung eines Sonnenenergieempfängeraufbaus nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17 in einem System zum Umsetzen von Sonnenenergie in elektrische Energie, außerdem aufweisend einen Sonnenenergiekonzentrator 56, der Sonnenenergie in den Sonnenenergieempfänger 12 konzentriert, wobei die Sonnenenergie durch die Empfängerröhren 16 absorbiert und auf ein Arbeitsfluid übertragen wird, wobei das Arbeitsfluid zu einem Stirlingkreislaufmotor 58 zirkuliert, der die Wärmeenergie in mechanische Drehenergie umsetzt, wobei die mechanische Drehenergie durch einen Elektrizitätsgenerator 60 in elektrische Energie umgesetzt wird.