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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen nichtabbildenden Konzentrator
für Licht.
Insbesondere betrifft die Erfindung einen Sonnenenergie-Konzentrator
oder -Kollektor mit einem Absorber, der in einem Glasgehäuse angeordnet
ist, und mit einem Reflektor, der asymmetrisch in dem Gehäuse angeordnet,
so dass eine nichtabbildende Lichtkonzentration ermöglicht wird,
wie beispielsweise ein evakuiertes zylindrisches Reflektorrohr. Diese
Absorbergeometrie kann ebenso auch eine Spaltverluste-reduzierende
V-Nut beinhalten, die in einer asymmetrischen Weise bezüglich einer
mit dem Absorber verbundenen, keilförmigen Wärmeleitrippe angeordnet ist.
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Nichtabbildende
Konzentratoren und ihre Vorteile sind aus dem Stand der Technik
bekannt (siehe zum Beispiel die US-Patente mit den Nr. 3,957,031;
4,002,499; 4,003,638; 4,230,095; 4,387,961; 4,359,265 und 5,289,3561.
Gemäß dieser
früheren
Methodik wird die Vorrichtung unter Verwendung einer vorgegebenen
Absorbergestalt, üblicherweise
ein zylindrisches Rohr, aufgebaut und dann wird der geeignete, nichtabbildende Reflektor
konstruiert. Das Hauptaugenmerk war deshalb primär auf der Entwicklung neuer
Reflektorkonstruktionen gerichtet, um den Kollektorwirkungsgrad
zu optimieren. Kürzlich
wurden neue Arten von Hochleistungs-Absorbermaterialien erhältlich,
die auf flexiblen Substraten angeordnet werden können. Diese Absorber haben
typischerweise ein Absorptionsvermögen von mehr als 90% im Sonnenspektrum,
während
der spezifische, halbkugelförmige
Emissionsgrad bei Betriebstemperaturen ziemlich gering ist.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten, nichtabbildenden
Sonnenkollektor und ein zugehöriges
Verwendungsverfahren bereitzustellen.
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Es
ist eine andere Aufgabe der Erfindung, einen neuen, nichtabbildenden
Sonnenkollektor mit einem Absorber, der konzentrisch innerhalb eines
Glasgehäuses
angeordnet ist, und mit einem asymmetrisch angeordneten Reflektor
bereitzustellen, der die verbesserte, nichtabbildende Lichtkonzentration
gestattet.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten, nichtabbildenden
Sonnenkollektor, der ein Außengehäuse und
einen konzentrisch angeordneten Absorber mit einer asymmetrisch
angeordneten, keilförmigen
Wärmeleitrippe
aufweist, bereitzustellen.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen neuen, nichtabbildenden
Sonnenkollektor mit einer Wärmeleitrippe,
die asymmetrisch bezüglich
eines Reflektors angeordnet ist, zu schaffen.
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Es
ist ebenso eine Aufgabe der Erfindung, einen neuen, nichtabbildenden
Sonnenkollektor mit einem zylindrischen Reflektor und einem röhrenförmigen Absorber,
der mit einem Wärmeleiter,
der einen konusförmigen
Querschnitt aufweist und der zwischen Null und Pi relativ zum Reflektor
angeordnet ist, verbunden ist, bereitzustellen.
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Es
ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Sonnenkollektor
zu schaffen, der einen konzentrisch in einem Reflektor angeordneten
Absorber und einen Wärmeleiter
mit konusförmigem Querschnitt,
der zur Verbesserung des Wirkungsgrads in einem Winkelbereich ausgerichtet
sein kann, aufweist.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Sonnenkollektor
zu schaffen, der eine Vielfalt von Reflektoren verwendet, die asymmetrisch
bezüglich
einer Symmetrieachse des Konzentrators angeordnet sind. Es ist eine
andere Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren und -Produkt
für die
Bereitstellung eines hohen Sonnenkollektorwirkungsgrad mit einer
Konstruktion eines Wärmeaustauschkanals
mit einer V-Nut, die asymmetrisch bezüglich einer Reflektoroberfläche angeordnet
ist, zu schaffen.
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Andere
Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden anhand der detaillierten
Beschreibung und der Figuren, die nachfolgend beschrieben werden,
deutlich werden.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 stellt
einen Sonnenkollektor mit einer flachen Leitrippe dar;
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2 stellt
eine zweidimensionale Endansicht eines zylindrischen, nichtabbildenden
Sonnenkollektors, der gemäß einer
Ausführungsform,
die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, aufgebaut ist und
der einen Absorber aufweist, der nicht zentrisch innerhalb eines
spitzförmigen,
asymmetrischen Reflektors angeordnet ist;
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3A veranschaulicht
eine Querschnittsansicht entlang der Linie 3A-3A aus 3C eines
nichtabbildenden Sonnenkollektors, der einen Absorber aufweist,
der konzentrisch in einem Reflektor mit einem V-Nut-förmigen Spaltverluste-Unterdrücker angeordnet
ist, und wobei der Absorber ferner eine verbundene Wärmeleitrippe
mit einem konisch geformten Querschnitt aufweist; 3B stellt
eine Strahlverfolgung für
die symmetrische Form des Kollektors aus 3A dar; 3C ist
eine perspektivische Ansicht des Sonnenkollektors aus 3A;
und 3D stellt einen Graphen der thermischen Leistung
des Kollektors mit symmetrischer Geometrie und 40° V-Nut aus 3A dar;
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4 veranschaulicht
andere Versionen der Kollektoren aus 3 aber
mit vergrößertem Öffnungswinkel;
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5 stellt
Abwandlungen des Sonnenkollektors aus 3 aber
ohne das V-Nut-förmige,
Spaltverluste-unterdrückende
Element dar;
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6A zeigt
einen nichtabbildenden Kollektor gemäß einer Ausführungsform,
die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, mit einem konzentrischen,
röhrenförmigen Absorber
und einigen, erhöhten
Reflektorkonturen, und 6B zeigt eine Strahlenverfolgung
für den
Kollektor mit symmetrischem Reflektor der 6A;
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7 veranschaulicht
die Winkelöffnungseigenschaften
des Kollektors mit symmetrischem Reflektor aus 6.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Nichtabbildende
Sonnenkollektoren, die entsprechend den diversen, erfindungsgemäßen Gestaltungen
konstruiert sind, sind in den 3–5 gezeigt
und sind im Ganzen mit 10 bezeichnet. Ein Entwurf eines Kollektors
gemäß dem Stand
der Technik ist zum Vergleich in 1 gezeigt.
Der Kollektor 12 aus dem Stand der Technik 12 der 1 hat
Wärmeleitrippen 14 und 16,
die beide Wärme
abstrahlen, so dass die thermische Leistungsfähigkeit bei Temperaturen von über etwa
100°C schlecht
ist. In dem Sonnenkollektor 10, der nicht der vorliegenden Erfindung
entspricht und der in 2 gezeigt ist, sind ein erster
Reflektor 32 und ein zweiter Reflektor 32' asymmetrisch
bezüglich
eines Absorbers mit Spitze 20 angeordnet. Dieser asymmetrische
Aufbau gestattet einen verbesserten Wirkungsgrad beim Auffangen.
In dieser Ausführungsform
ist der Absorber 20 ebenso nicht zentrisch angeordnet.
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In
einer bevorzugteren Ausführungsform
beinhaltet der nichtabbildende Sonnenkollektor 10 der 3A–3C einer
Glasrohr-Außengehäuse 24,
das transparent ist und das Eindringen von Lichtstrahlen 26 in
das evakuierte Innere des Gehäuses 24 gestattet.
Das Gehäuse 24 ist
in zylindrischer Formgebung dargestellt, kann aber andere Geometrien
annehmen, die für
die hierin beschriebenen Funktionen geeignet sind. Die Lichtstrahlen 26 treffen
entweder direkt auf die Absorberröhre 28 oder werden
von der Reflektoroberfläche 32 reflektiert,
um auf die Absorberröhre 28 aufzutreffen,
und wodurch das eingesammelte Licht konzentriert wird. In der bevorzugten
Ausführungsform
kann diese Absorberröhre 28 andere
Formgebungen aufweisen als die, die in den Figuren gezeigt ist,
sie ist aber bezüglich
des Gehäuses 24 konzentrisch
angeordnet. Die Absorberröhre 28 beinhaltet
ferner einen keilförmigen
Wärmeleiter 30 (siehe 3C),
wobei in dessen Querschnitt übergreifend
die Absorberröhre 28 als „Eiskremhörnchen„-Geometrie
auftaucht, wie in den 3A, 3B, 4 and 5 bezeichnet.
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Wie
ferner in den 3A–3C, 4 und 5 festgehalten,
kann der Wärmeleiter 30 aus
der δ/2-Stellung
bei „sechs-Uhr" in andere Winkelstellungen
gedreht werden (die als Leiter 30' angedeutet sind), and dies führt zu einem
verbesserten Kollektor-Wirkungsgrad.
Bei δ/2
für senkrechten
Lichteinfall auf den Kollektor 10 erfolgt die Bestrahlung
des Wärmeleiters 30 (oder 30') über einen
Abstand von r/2 bis r, wobei r die radiale Länge des Wärmeleiters 30 (oder 30') ist. Für die Stellung
Null und δ (siehe 5)
ist die Bestrahlung gleichförmiger
als eine Folge des Lichteinfallwinkels. Eine bessere Gleichförmigkeit
der Bestrahlung verbessert den Wärmeübergang
auf ein Arbeitsmedium, das in dem Leiter 30 (oder 30') angeordnet
ist und wodurch somit die Leistung verbessert wird.
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Messungen
wurden für
die Null- (oder δ-)
Ausgestaltung durchgeführt
und die Leistung durch die Stillstandstemperatur charakterisiert,
welche die Gleichgewichtstemperatur des Absorberrohrs 28 ist,
wenn keine Wärme
abgeführt wird.
Die Absorberröhren 28 wurden
unter 1KW/Quadratmeter Sonnenbestrahlung, und Stillstandstemperaturen
von 326, 334 und 330°C
wurden gemessen. Diese Werte sind recht hoch für feststehende Sonnenkollektoren.
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In
einer anderen bevorzugteren Ausführungsform,
die in den 3A und 4 gezeigt
ist, ist der Reflektor 32 (wie in 2) nicht
länger
symmetrisch in einer spiegelbildlichen Stellung bezüglich einer
vertikalen Ebene entlang δ/2
angeordnet. Der Reflektor umfasst nun den Reflektor 32 und
den Reflektor 32'.
Diese Asymmetrie gestattet weitergehend das Erreichen eines verbesserten
Wirkungsgrads des Sonnenkollektors. Das Maß der Asymmetrie zwischen dem
Reflektor 32 und dem Reflektor 32' kann in Abhängigkeit der Ausrichtung auf
das einfallende Licht eingestellt werden, um den Wirkungsgrad zu
optimieren.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
(siehe 3A–3C, 4 und 5)
beinhaltet die Reflektoroberfläche 32 eine
Spaltverluste-reduzierende V-Nut 34. Diese Nut 34 unterdrückt energieabsorbierende
Spaltverluste, 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-Ausrichtung ohne die Notwendigkeit eines Sonnennachführmechanismus geeignet
macht. Dieser spezielle Öffnungswinkel
mit der zugehörigen
V-Nut 34 schafft eine ausgezeichnete Toleranz gegenüber vertikalen
Positionierfehlern bei der Platzierung des Absorbers 30 sowie
eine gute Toleranz gegenüber
horizontalen Versetzungen (siehe 3D).
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In
einer anderen Form der Erfindung ist eine V-Nut 34' in einer asymmetrischen
Winkelposition angeordnet (siehe 3A und 4),
wodurch ebenso der Wirkungsgrad des Kollektors verbessert wird.
Bevorzugt ist der Wärmeleiter 30' mit der V-Nut 34' ausgerichtet,
die ohne große
Wirkungsgradverluste asymmetrisch angeordnet sein kann.
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Die
Kollektoren 10 der 4 weisen
einen kleineren Krümmungsradius
für die
Reflektoroberfläche 32 (oder 32') auf, was zu
einem breiteren Öffnungswinkel
(von etwa 70°)
führt.
Diese Ausführungsform
würde es gestatten,
den Kollektor 10 für
eine Nord-Süd-
oder eine Ost-West-Ausrichtung ohne die Notwendigkeit einer Sonnennachführvorrichtung
verwendbar zu machen.
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Der
Kollektor 10 von 5 ist der
Grenzfall der Ausführungsbeispiele
der 3 und 4, wo der Krümmungsradius
der Reflektoroberfläche 32 mit
der Innenfläche
des Glasrohrgehäuses 24 zusammenfällt. Dieses
Ausführungsbeispiel
mit dem Wärmeleiter 30 bei δ/2 hat einen
sich an 90° annähernden Öffnungswinkel.
Diese Form des Kollektors 10 vereinfacht den Konstruktionsvorgang
zur Herstellung des Kollektors 10 weiter. Des Weiteren
wäre die
andere Ausführungsform,
bei der sich der Wärmeleiter 30' bei anderen
Winkeln befindet, ebenso einfach herzustellen.
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In
den Ausführungsformen
der 6A und 6B, die
nicht der vorliegenden Erfindung entsprechen, weist die Reflektoroberfläche 32 (und 32') einen relativ
großen
Krümmungsradius
auf, so dass der Öffnungswinkel
etwa 5° beträgt und eine
grobe Sonnennachführvorrichtung
erfordern würde,
die entweder kontinuierlich oder intermittierend arbeitet. Diese
Ausgestaltung beinhaltet eine kleine Spitze, die sich von dem kleinen Öffnungswinkel
erhebt. Die Wärmeleistung
ist bei erhöhten
Temperaturen ziemlich gut. 7 zeigt
den Wirkungsgrad des symmetrischen Reflektors 32 in Abhängigkeit
des Einfallswinkels der symmetrischen Reflektor-Ausführungsform
der 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.
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Die
Wärmeleistung
für die
dargestellten Ausführungsformen
der symmetrischen Ausführungsformen ist
in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben. Berechnungen wurden basierend
auf einem meteorologischen Durchschnittsjahr in Albequerque, New
Mexico, durchgeführt.
Der Emissionsgrad für
den Absorber beträgt 0,05
bei T = 100°C
und ein Absorptionsgrad 0,95. Tabelle
1 Wärmeleistung
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Bei
der Konstruktion des Kollektors 10 ist es auch bevorzugt,
diverse Klassen von Beschichtungen aus Hochleistungssonnenlichtabsorbern
auf dem Absorberrohr 28 und dem Wärmeleiter 30 zu verwenden.
Die Beschichtungen können
zum Beispiel Cermets mit einem sehr geringen Emissionsgrad (etwa
0,02 bei 20°C)
und einem hohen Absorptionsgrad (etwa 0,92) im Bereich des Sonnenspektrums
sein. Cermets sind herkömmliche Materialien,
die Schichten aus dielektrischen Materialien aufweisen, 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
mit höherem
Metallanteil an der Unterseite absorbiert mehr Energie, weil sichtbares
Licht einfach durch die oberen Schichten läuft. Die Emission der Hohlraumstrahlung
(Wellenlänge > 2 mm) wird jedoch
durch das Cermet-Dotierungsmittel 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 gesehenen Atome, so dass mehr absorbiert wird
und reduziert auch die Anzahl Atome, die Wärme abstrahlen können.
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Eine
weitere Klasse von Materialien, die als Absorber brauchbar sind,
sind gewisse Keramiken, die einfach mittels einer Vakuumabscheidung
hergestellt werden können.
Zum Beispiel können
herkömmliche Schichten
von TiNXOY und SiO2/TiNXOY auf
ein Aluminium- oder Kupfersubstrat abgeschieden werden, bis eine eingestellte
Anreicherungsmenge gemessen worden ist. Beide dieser Arten von Materialien
weisen eine TiNXOY-Schicht
mit einer Dicke von etwa 53 nm auf einem Substrat auf. Bei der zweiten
Art des Absorbermaterials ist eine Schicht von 90 nm SiO2 hinzugefügt. Die thermischen Eigenschaften
solcher Materialien sind für
die Verwendung als Solarabsorber sehr vorteilhaft. Auf Kupfersubstraten
kann ein Absorptionsgrad von 0,90 oder höher mit einem Emissionsgrad
von 0,06 bei T = 200°C
erzielt werden, während
Aluminiumsubstrate einen so hohen Absorptionsgrad von bis zu 0,95
und einen Emissionsgrad von 0,03 bei T = 100°C erreichen.
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Die
zuvor beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen verwenden ein
konzentrisch angeordnetes Absorberrohr in einem zylindrischen Reflektorgehäuse, das
evakuiert worden ist. Das Absorberrohr beinhaltet ferner eine keilförmige Wärmeleitrippe,
die mit dem Absorber verbunden ist, und beinhaltet bevorzugt eine
Absorberschicht (Absorptionsgrad größer als 0,90) mit einem geringen
Emissionsgrad (weniger als etwa 0,05), um einen sehr effizienten
Sonnenkollektor zu erzielen. Die Einfachheit dieser Grundausgestaltung
erlaubt eine einfache Herstellung, die Reduzierung von Konstruktionskosten,
wodurch sich die Verwendung des Sonnenkollektors praktikabler gestaltet.
