NL2012014C2 - Zonnecollector. - Google Patents

Description

Zonnecollector

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een zonnecollector voor het althans tijdelijk opslaan van warmte uit zonnestraling omvattende een stralingsgeleider voor het geleiden van zonnestraling, lensmiddelen voor het concentreren van zonnestraling op een eerste uiteinde van de stralingsgeleider, en omvattende een thermisch geïsoleerde kern aan een tegenoverliggend tweede uiteinde van de stralingsgeleider welke kern door de uit de stralingsgeleider vrijkomende zonnestraling verwarmt en in staat is de warmte althans tijdelijk op te slaan.

Een dergelijke zonnecollector is bekend uit de internationale octrooiaanvrage WO 2009/002168 van aanvraagster. Deze bekende zonnecollector omvat een thermisch geleidende kern die door zonnestraling kan opwarmen en is in staat deze warmte gedurende een zekere periode vast te houden. Anders dan bij conventionele zonnecollectoren die door middel van lensmiddelen een vloeistof verwarmen om hier direct gebruik van te maken, maakt deze bekende zonnecollector het mogelijk om ook tijdens perioden waarin een hoeveelheid ingewonnen zonnestraling relatief laag is, bijvoorbeeld gedurende de nacht, bruikbare energie op te wekken. De thermisch geleidende kern kan namelijk een relatief grote hoeveelheid warmte opslaan en dus als energiebuffer dienen tijdens dergelijke perioden van lage zonnestraling.

Hoewel de bekende zonnecollector reeds prima kan worden ingezet om gedurende langere perioden continu energie te winnen uit zonnestraling, is gebleken dat met name qua rendement een verbeterslag kan worden gemaakt, in het bijzonder door warmteverlies tegen te gaan.

De onderhavige uitvinding beoogt dan ook een verder verbeterde zonnecollector van het bovenvermelde type te verschaffen.

Om aan het beoogde doel tegemoet te komen is een zonnecollector van de in de aanhef vermelde soort volgens de onderhavige uitvinding gekenmerkt doordat de kern binnen een de kern althans nagenoeg volledig omhullende isolatiemantel is voorzien welke isolatiemantel een laag poreus keramisch materiaal omvat. De uitvinding berust op het inzicht dat ondanks de bijbehorende isolatieproblematiek een kern met een zo hoog mogelijke warmtecapaciteit tot de beste resultaten leidt. Door de hoge temperaturen die kunnen worden behaald met een kern met een hoge warmtecapaciteit is van groot belang dat de toegepaste isolatie bestand is tegen dergelijke temperaturen. Een laag poreus keramisch materiaal is bijzonder geschikt als isolatie om zelfs bij de hoogste temperaturen niet of nauwelijks warmteverlies te geven. Om een warmtelek zoveel mogelijk tegen te gaan is de laag daarbij voorzien in een isolatiemantel die de kern althans nagenoeg volledig omhult. Hoewel een dergelijke isolatiemantel met keramisch materiaal niet bijzonder licht in gewicht is, blijkt dit met name bij qua omvang relatief grote zonnecollectoren minder bezwaarlijk dan verwacht. Het energieverlies door sturing van de in gewicht toegenomen zonnecollector valt in het niet bij de rendementswinst door een dergelijke goede isolatie van een kern met grote warmtecapaciteit.

Aangezien iedere onderbreking of zwakke plek in de isolatielaag een risico tot een warmtelek vergroot, is de zonnecollector volgens de uitvinding in een voorkeursuitvoeringsvorm gekenmerkt doordat de laag keramisch materiaal althans nagenoeg naadloos is. Zo kan de laag keramisch materiaal conform een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van de zonnecollector volgens de onderhavige uitvinding rondom de kern zijn gegoten. Een dergelijk gieten van de laag keramisch materiaal leidt tot een vrijwel ononderbroken integraal lichaam zonder naden, dat over het volledige oppervlak een althans nagenoeg uniforme isolatiewaarde heeft. Zwakke plekken in de isolatie worden hiermee zoveel mogelijk voorkomen.

Om warmtestraling goed in te vangen is de laag keramische materiaal poreus. Dit kan bijvoorbeeld door een poreus materiaal te nemen, of bijvoorbeeld door aan het keramisch materiaal een toeslagstof toe te voegen die na verhitting uit de laag wordt weggebrand om een gewenst netwerk van poriën in de laag achter te laten.

In een verdere voorkeursuitvoeringsvorm is de zonnecollector volgens de uitvinding gekenmerkt doordat de laag keramisch materiaal een lichte vuurvaste steen omvat. Een dergelijke steen, bijvoorbeeld ovenstenen, is eenvoudig in een gewenste vorm in een laag om de kern aan te brengen, is bestand tegen zeer hoge temperaturen en heeft uitstekende isolatiewaarden.

In een bijzondere uitvoeringsvorm is de zonnecollector volgens de uitvinding gekenmerkt doordat aan een van de kern afgewende zijde van de isolatiemantel rondom ten minste één reflectorlichaam is voorzien met een naar de kern gerichte straling reflecterende zijde. Het reflectorlichaam zal enig door de isolatiemantel ontsnappend infraroodstraling terug reflecteren naar de kern, wat resulteert in een verdere verbeterslag van de isolatiewaarde van het geheel.

Een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van de zonnecollector volgens de uitvinding heeft als kenmerk dat althans de kern en isolatiemantel binnen een althans nagenoeg luchtdicht gesloten behuizing zijn opgenomen en dat middelen zijn voorzien om binnen de behuizing rondom de kern en isolatiemantel althans nagenoeg een vacuüm te creëren. Door een vacuüm aan te leggen in de zonnecollector in alle ruimtes tussen de onderdelen, zal een mogelijk vrijkomen van warmte door conductie of convectie warmteoverdracht zoveel mogelijk worden ingeperkt. Daarmee is warmteverlies vrijwel uitsluitend via straling mogelijk, wat echter door de hiervoor beschreven maatregelen volgens de uitvinding zoveel mogelijk wordt tegengegaan.

In een verdere voorkeursuitvoeringsvorm is de zonnecollector volgens de onderhavige uitvinding gekenmerkt doordat de kern een warmtebestendig, geleidend materiaal met een relatief hoge warmtecapaciteit omvat. Een verdere bijzondere uitvoeringsvorm van de zonnecollector volgens de onderhavige uitvinding heeft als kenmerk dat de kern een massief blok staal omvat. Staal heeft een geschikte warmtecapaciteit voor toepassing in de zonnecollector, en heeft een hoge smelttemperatuur waardoor het als massief blok kan worden toegepast ondanks de in de kern accumulerende hoge temperatuur. Bij toepassing van een dergelijke stalen kern is het mogelijk de kern te verwarmen tot een temperatuur van 1500 graden Celsius. De zonnecollector volgens de onderhavige uitvinding heeft daarbij in een verdere bijzondere uitvoeringsvorm echter als kenmerk dat de kern een temperatuur tot maximaal 1200 graden Celsius opslaat. Een dergelijke temperatuur van de kern biedt een voldoende lange energiebuffer om perioden van weinig of geen zonnestraling te overbruggen, terwijl alle onderdelen van de zonnecollector zoals de stralingsgeleider bestand zijn gebleken tegen deze temperatuur.

Een verdere bijzondere uitvoeringsvorm van de zonnecollector volgens de onderhavige uitvinding heeft als kenmerk dat de kern een vloeibare massa aluminium omvat. Aluminium heeft een uitstekende warmtecapaciteit, is relatief licht in gewicht en is tevens zeer geleidend waardoor de warmte snel hieraan kan worden onttrokken om hieruit energie op te wekken. Door de relatief lage smelttemperatuur van aluminium is een vloeibare massa van aluminium nodig om efficiënte temperaturen in de kern te realiseren.

In een verdere voorkeursuitvoeringsvorm is de zonnecollector volgens de onderhavige uitvinding gekenmerkt doordat de lichtgeleider althans ten dele een kwartsfiber omvat. Een dergelijke kwartsfiber is bijzonder geschikt om zonnestraling over de lengte van de fiber te geleiden zonder noemenswaardig lichtverlies. Bijzonder daarbij is dat de kwartsfiber goed bestand is tegen de hoge temperaturen die in de kern van de zonnecollector worden gerealiseerd, tot 1200 graden Celsius. Zodoende leent de kwartsfiber zich dus voor toepassing nabij de kern van de zonnecollector.

Hoewel het mogelijk is om de stralingsgeleider volledig uit kwartsfiber te vervaardigen, biedt de toepassing van een glasfiber ook voordelen. Glasfiber heeft een duidelijk lagere kostprijs vergeleken met kwartsfiber, en is bovendien iets flexibeler. Hierdoor leent glasfiber zich beter voor toepassing in een stralingsgeleider met bochten en krommingen. Het glasfiber wordt bij hogere temperaturen, zoals die in de kern van de zonnecollector kunnen voorkomen, echter aangetast waardoor de stralingsgeleiding hierdoor niet langer optimaal is. Om die reden heeft een verdere bijzondere uitvoeringsvorm van de zonnecollector volgens de onderhavige uitvinding als kenmerk dat de kwartsfiber het tweede uiteinde van de stralingsgeleider omvat en tot buiten de isolatiemantel strekt en dat een glasfiber met de kwartsfiber is verbonden en het eerste uiteinde van de stralingsgeleider omvat. Uitsluitend dat deel van de stralingsgeleider dat de hoogste temperaturen moet weerstaan, namelijk het deel tussen de kern en de isolatiemantel, wordt vervaardigd uit hittebestendig kwartsfïber, terwijl het overige deel van de stralingsgeleider vanaf de isolatiemantel tot nabij een brandpunt van de lensmiddelen uit flexibeler glasfiber wordt vervaardigd.

Een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van de zonnecollector volgens de uitvinding heeft als kenmerk dat de stralingsgeleider met het tweede uiteinde is bevestigd tegen een buitenzijde van de kern ter plekke van een verdieping in de kern en onder insluiting van een ruimte in de verdieping om uit de stralingsgeleider vrijkomende zonnestraling in energie uitwisselend contact met een oppervlak van de kern te laten treden. De verdieping in de kern creëert een groter kernoppervlak binnen de verdieping waarop uit de stralingsgeleider vrijkomende zonnestraling invalt om de stralingsenergie in de vorm van warmte aan de kern af te staan. In een verdere voorkeursuitvoeringsvorm is de zonnecollector volgens de onderhavige uitvinding gekenmerkt doordat een anti-reflectiecoating tegen de kern in de verdieping is aangebracht. De anti-reflectiecoating absorbeert de uit de stralingsgeleider vrijkomende zonnestraling en geeft dit als warmte af aan de kern. Hiermee wordt tegengegaan dat de zonnestraling op het oppervlak van de kern kan reflecteren terug de stralingsgeleider in, wat een verlies van energie zou betekenen.

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld en een bijbehorende tekening. In de tekening toont: figuur 1 een uitvoeringsvoorbeeld van een zonnecollector volgens de uitvinding in een zijaanzicht van een doorsnede; figuur 2 een perspectivisch aanzicht van de kern in een behuizing van het uitvoeringsvoorbeeld van een zonnecollector volgens de uitvinding zoals getoond in figuur 1; figuur 3 een dwarsdoorsnede-detailaanzicht van de kern in een behuizing volgens het gebied B zoals weergegeven in figuur 1.

De figuren zijn overigens zuiver schematisch en niet op schaal getekend. Met name zijn sommige dimensies ter wille van de duidelijkheid overdreven weergegeven.

Overeenkomstige delen zijn in de figuren zoveel mogelijk met eenzelfde verwijzingscijfer aangeduid.

De in figuur 1 getoonde zonnecollector 1 voor het althans tijdelijk opslaan van warmte uit zonnestraling omvat een thermisch geleidende kern 2 binnen een cilindervormige metalen behuizing 3, zoals beter getoond in figuur 2. De kern 2 is in dit uitvoeringsvoorbeeld een massief blok staal dat volgens de onderhavige uitvinding kan worden verwarmd tot 1200 graden Celsius. Om deze warmte voor langere tijd vast te kunnen houden is rondom de kern 2 een de kern volledig omhullende isolatiemantel 4 voorzien. De isolatiemantel 4 omvat een laag keramisch materiaal met een hoge isolatiewaarde. Op afstand van de isolatiemantel 4 is een eerste reflectorlichaam 5 voorzien die een naar de kern gerichte straling reflecterende zijde heeft, om uit de isolatiemantel ontsnappende straling terug te reflecteren richting de kern. Op afstand van het eerste reflectorlichaam 5 is een tweede reflectorlichaam 6 voorzien voor een nog verdere reflectie van straling terug naar de kern. De behuizing bevat verder middelen (niet getoond) om een vacuüm binnen de behuizing aan te kunnen leggen, zodat in de ruimtes tussen de reflectorlichamen 5,6 en de isolatiemantel 4 nagenoeg volledig vacuüm heerst. Hierdoor is een warmteverlies via convectie of conductie vrijwel uitgesloten.

De uitwendige zijde van de behuizing blijft bij gebruik van de zonnecollector een temperatuur houden die vrijwel overeenkomt met die van een omgevingstemperatuur bij een temperatuur van de kern van 1200 graden Celsius. Er is dan ook een verwaarloosbare hoeveelheid warmteverlies naar de buitenomgeving. De zonnecollector volgens de onderhavige uitvinding biedt hierdoor een bijzonder gunstig rendement, en is in staat niet alleen tijdens zonne-uren energie te leveren, maar ook een energiebuffer aan te leggen waaruit gedurende perioden van weinig zonnestraling continu energie kan worden genomen.

Voor verwarming van de kern 2 is voor de behuizing 3 een scherm 7 geplaatst waarin lensmiddelen zijn voorzien om zonnestraling te concentreren. De lensmiddelen omvatten een stelsel op gelijke afstand van elkaar en richting de zon geplaatste lenzen die ieder op de lens invallende zonnestraling concentreren in een eigen brandpunt. Op het brandpunt is achter iedere lens een eerste uiteinde van een stralingsgeleider in de vorm van een glasfiber voorzien, zodat de geconcentreerde zonnestraling in de fiber wordt gevangen. Via de glasfibers van iedere lens wordt de zonnestraling richting de behuizing 3 geleid. Voor een maximale invang van zonnestraling zijn trackingmiddelen voorzien om een zonnebaan te kunnen volgen gedurende de dag. Hiertoe bevindt de behuizing 3 zich op een roteerbaar eerste frame 20 dat volledig binnen een horizontale voet 21 waarop de zonnecollector steunt kan worden gedraaid, terwijl het scherm met lenzen aan een roteerbaar tweede frame 30 is bevestigd dat over een afstand rondom de behuizing 3 roteerbaar is. Een continu verstelling van de lenzen aan de stand van de stand wordt verwezenlijkt door automatische aandrijving van de roteerbare frames in reactie op een signaal van de trackingmiddelen. Het zal voor de vakman duidelijk zijn dat de trackingmiddelen bijvoorbeeld een sensor kunnen omvatten die continu de stand van de zon registreert en doorgeeft aan verwerkingsmiddelen zoals bijvoorbeeld een processor, welke verwerkingsmiddelen vervolgens een uitvoersignaal versturen aan daartoe voorziene aandrijfmiddelen die een nodige verstelling van een of beide frames 20,30 realiseren.

Zoals in figuur 3 in meer detail is getoond wordt een uiteinde van de glasfiber 8 door middel van bevestigingsmiddelen 10 vastgezet aan een buitenzijde van de behuizing 3. Het uiteinde van de glasfiber wordt daarbij passend op een uiteinde van een kwartsfiber 9 ontvangen, zodat de zonnestraling vanuit de glasfiber zonder stralingsverlies overgaat in de kwartsfiber. De kwartsfiber 9 is door middel van verdere bevestigingsmiddelen 11 aan de inwendige zijde van de behuizing 3 bevestigd. Flexibele pasmiddelen in de vorm van o-ringen zijn voorzien in een doorvoer van de behuizing waardoorheen de stralingsgeleider steekt om het geheel af te dichten. De kwartsfiber 9 voert vanaf de inwendige zijde van de behuizing 3 tot nagenoeg tegen de kern 2 waar de kwartsfiber 9 het tweede uiteinde van de stralingsgeleider vormt. Het tweede uiteinde van de stralingsgeleider is door middel van fixatiemiddelen 12 tegen de kern 2 gefixeerd ter plaatse van een verdieping in de kern 2. Uit de stralingsgeleider vrijkomende stralingsdeeltjes komen hierdoor in de ruimte in de verdieping, zodat de straling op een groter kernoppervlak kan invallen en verlies door reflectie van straling terug de stralingsgeleider in wordt geminimaliseerd.

Hoewel de uitvinding aan de hand van louter een enkel uitvoeringsvoorbeeld nader werd toegelicht, moge het duidelijk zijn dat de uitvinding daartoe geenszins is beperkt. Integendeel zijn binnen het kader van de uitvinding voor een gemiddelde vakman nog vele variaties en verschijningsvormen mogelijk.

Claims (12)

1. Zonnecollector voor het althans tijdelijk opslaan van warmte uit zonnestraling omvattende een stralingsgeleider voor het geleiden van zonnestraling, lensmiddelen voor het concentreren van zonnestraling op een eerste uiteinde van de stralingsgeleider, en omvattende een thermisch geïsoleerde kern aan een tegenoverliggend tweede uiteinde van de stralingsgeleider welke kern door de uit de stralingsgeleider vrijkomende zonnestraling verwarmt en in staat is de warmte althans tijdelijk op te slaan, met het kenmerk dat de kern binnen een de kern althans nagenoeg volledig omhullende isolatiemantel is voorzien welke isolatiemantel een laag poreus keramisch materiaal omvat.

2. Zonnecollector volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de laag keramisch materiaal een lichte vuurvaste steenlaag omvat.

3. Zonnecollector volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat de laag keramisch materiaal althans nagenoeg naadloos is, in het bijzonder rondom de kern is gegoten.

4. Zonnecollector volgens één of meer der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat aan een van de kern afgewende zijde van de isolatiemantel rondom ten minste één reflectorlichaam is voorzien met een naar de kern gerichte straling reflecterende zijde.

5. Zonnecollector volgens één of meer der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat althans de kern en isolatiemantel binnen een althans nagenoeg luchtdicht gesloten behuizing zijn opgenomen en dat middelen zijn voorzien om binnen de behuizing rondom de kern en isolatiemantel althans nagenoeg een vacuüm te creëren.

6. Zonnecollector volgens één of meer der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de kern een warmtebestendig, geleidend materiaal omvat, in het bijzonder een metaal.

7. Zonnecollector volgens conclusie 6, met het kenmerk dat de kern een massief blok staal omvat.

8. Zonnecollector volgens conclusie 6, met het kenmerk dat de kern een vloeibare massa aluminium omvat.

9. Zonnecollector volgens één of meer der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de kern een temperatuur tot maximaal 1200 graden Celsius opslaat.

10. Zonnecollector volgens één of meer der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de lichtgeleider althans ten dele een kwartsfiber omvat.

11. Zonnecollector volgens conclusie 10, met het kenmerk dat de kwartsfiber het tweede uiteinde van de stralingsgeleider omvat en tot buiten de isolatiemantel strekt en dat een glasfiber met de kwartsfiber is verbonden en het eerste uiteinde van de stralingsgeleider omvat.

12. Zonnecollector volgens één of meer der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de stralingsgeleider met het tweede uiteinde is bevestigd tegen een buitenzijde van de kern ter plekke van een verdieping in de kern en onder insluiting van een ruimte in de verdieping om uit de stralingsgeleider vrijkomende zonnestraling in energie uitwisselend contact met een oppervlak van de kern te laten treden.