WO2000020806A1 - Strahlungskollektor - Google Patents

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Stefan Henschen
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Stefan Henschen
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Definitions

  • the invention relates to a radiation collector with a mirror surface which has a substantially concave shape, a radiation absorber and an opening.
  • Radiation collectors with a mirror surface and a radiation absorber are known in various designs.
  • a parabolic mirror usually concentrates parallel incident light rays on a point-shaped or line-shaped absorber element. As a result, the light rays incident on a certain surface are bundled in order to generate the highest possible radiation density at the absorber.
  • Liquid media usually flow in the absorber, which are heated by the radiation energy and give off the heat again at another point.
  • Radiation collectors have also been proposed for photovoltaic cells, but are less widespread in practice since a lower energy density is sufficient for photovoltaic cells.
  • the invention is therefore based on the object of developing a radiation collector with mirror surface and radiation absorber mentioned at the outset in such a way that the highest possible proportion of the radiation impinging on the radiation collector is absorbed by the radiation absorber.
  • This object is achieved in that, seen in cross section, the maximum distance between two points of the mirror surface is greater than the width of the opening.
  • Known radiation collectors are either parabolic or trough-shaped, the collectors having the largest possible light incidence opening.
  • the large opening is used to allow as much radiation as possible to hit the radiation collector, which is centered by the reflection on the radiation collector or directly impinges on a radiation absorber.
  • the present invention is based on the knowledge that the radiation reflected by the radiation absorber can also be returned to the absorber by a suitable mirror system.
  • the mirror system is designed as a concave shape such that it encloses an angle of more than 180 ° in cross section. The maximum possible size of the light entry opening is thus reduced in order to guide radiation penetrating into the mirror system, if necessary by repeated reflection on the radiation absorber.
  • the reflected radiation component can be repeatedly returned to the radiation absorber by the mirror system.
  • the mirror system is designed so that the beam path strikes the solar module at least twice before it leaves the radiation collector. This is achieved in that the longest cross section of the concave shape of the mirror surface is larger than the opening width provided in the mirror surface. At least a part of the light entering the radiation collector is thus reflected several times in order to hit the radiation absorber sooner or later.
  • the relatively small light entry gap opens up new areas of application in which only a relatively small light area is available, but on the other hand an effective yield of the incident light is required. Such areas of application can be found, for example, in facade construction, where only limited areas are available as light entry areas.
  • a further opening can also be provided in the mirror system, which is arranged in such a way that only special, directed radiation emerges from the mirror system.
  • the radiation collector can thus be used both for radiation concentration and for directed radiation emission, for example into the interior of a building.
  • the radiation collector is installed so that it has a light incidence opening facing the light in the installed state and a light exit opening facing away from the light in the installed state.
  • the concave mirror surface can have a plurality of surface parts which are arranged at an preferably obtuse angle to one another in order to delimit the shape.
  • the mirror surface is preferably curved in order to facilitate the manufacture of the collector.
  • a spherical surface can also be used as a mirror surface, for example.
  • the concave mirror surface is preferably arranged around an axis, since this leads to an effective design. Experiments have shown that particularly good results are achieved if the angle ⁇ between the edges of the opening and the center of gravity is less than 150 °. On the one hand, this enables good reflection on the collector surface and, on the other hand, a sufficient opening for the incidence of radiation.
  • the angle advantageously has more than 10 °.
  • the collector encloses a cylinder in cross section by an angle of more than 180 °, preferably more than 210 ° and less than 350 °.
  • an advantageous embodiment provides that the absorber is arranged in the area of the mirror surface.
  • part of the mirror surface is designed as an absorber, which thus takes part of the radiation from the system and converts it, while the rest of the radiation is reflected at the absorber.
  • the radiation collector according to the invention even allows the absorber to be arranged parallel to the direction of light entry.
  • the described design of the mirror surface allows the absorber to be arranged anywhere within the concave shape.
  • an absorber tube can be arranged at any point within the mirror system.
  • the aforementioned statements show that the radiation collector according to the invention can be used for different types of absorbers.
  • Preferred fields of application are absorbers which have at least one photovoltaic cell and absorbers with solar modules for converting radiation energy into thermal energy.
  • FIG. 1 shows a radiation collector with a polygonal mirror surface
  • Figure 2 shows a radiation collector with a circular segment-shaped mirror surface and absorber in the area of the mirror surface and
  • Figure 3 shows a radiation collector with a circular segment-shaped mirror surface, central absorber and two light openings.
  • the radiation collector 1 shown in FIG. 1 has a mirror surface 2 which consists of five mirrors 3, 4, 5, 6 and 7 arranged at an angle to one another. These mirrors 3 to 7 are arranged with respect to one another in such a way that they delimit a concave shape with a radiation absorber 8.
  • a light entry opening 9 is provided between the radiation absorber 8 and the mirror surface 7, through which a light beam 10 enters the space delimited by the mirror surfaces and the absorber.
  • the light entry opening has a width (a) which is smaller than the maximum distance (A) between two points of the mirror surface 2.
  • the angle between the edges of the opening 9 and the center of gravity S is approximately 30 °.
  • the light beam 10 is reflected in the concave space by the mirror surfaces 3 to 7 until it reaches the absorber 8. At point 11 on the absorber surface, part of the radiation energy is absorbed and the rest is reflected. The reflected radiation component is in turn guided back to the absorber 8 via the mirror surfaces 6, 3 and 5 in order to strike the absorber again at point 12. Here too, part of the incident radiation energy is absorbed and the rest is reflected. The residual beam continues to be reflected on the mirror surfaces and on the absorber until it escapes again from the radiation collector 1 through the light entry opening 9.
  • the light beam thus strikes the absorber surface 8 repeatedly and only a small residual radiation component leaves the radiation collector. Effective radiation absorption can thus be achieved even with strong reflection at the absorber 8.
  • the arrangement of the mirror surfaces with respect to one another that is to say their number and angular positions as well as the width of the light entry opening 9 and the The position of the absorber 8 can be individually adapted to the given requirements and can be mathematically optimized.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of a radiation collector 20.
  • This radiation collector has a circular cross section. Radiation energy enters through a light entry opening 21 into a concave cavity which is formed by a mirror surface 22 and an absorber 23.
  • the light beam is reflected on the mirror surfaces 22 in order to be directed to the absorber 23, and light beams reflected by the absorber 23 are also very likely to be returned to the absorber 23.
  • the bend of the reflector surfaces, the arrangement of the absorber and the size and position of the light entry opening 21 are to be individually tailored to a specific area of application. Reflective internals within the concave collector shape can increase the effectiveness of the radiation collector.
  • FIG. 3 An embodiment of a radiation collector 30 with two light openings 31 and 32 is shown in FIG. 3.
  • the collector 30 is arranged between two wall pieces 33 and 34 and the light entry opening is on the outside 35, while the light exit opening 32 opens towards the inside 36.
  • An absorber 37 is arranged in the center of the radiation collector 30.
  • Radiation entering the radiation collector 30 through the light entry opening 31 is either absorbed at the absorber 37 or reaches the absorber Mirror surfaces 38 or 39 on which the light beam is reflected.
  • the light beam impinging on the absorber 37 is partially absorbed and the remaining part is reflected, so that it is very likely to strike the mirror surfaces 38 and 39 and be further reflected by these surfaces.
  • the radiation travels around in the radiation collector 30 until it leaves the collector through the light entry opening 31 or the light exit opening 32.
  • the structure of the absorber and radiation surfaces should, if possible, be designed in such a way that little radiation leaves the radiation collector 30 through the light inlet opening and at least minimal illumination of the interior is made possible by the light outlet opening 32.
  • a further reflector or absorber surface can also be arranged at the location of the light exit opening 32.
  • a solar module is provided as the absorber surface, which converts the steel energy into thermal energy.
  • the absorber can also be designed as a photovoltaic cell, which is known to have a high degree of reflection radiation.

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Abstract

Ein Strahlungskollektor (20) mit einer Spiegelfläche (22) und einem Strahlungsabsorber (23) hat eine Spiegelfläche, die im wesentlichen eine konkave Form aufweist und einen Winkel von mehr als 180° umschließt. Dadurch wird durch eine Öffnung (21) in den Strahlungskollektor einfallende Strahlung reflektiert, bis sie auf den Absorber (23) gelangt, und auch vom Absorber reflektierte Strahlung wird über die Spiegelfläche zum Absorber zurückgeführt.

Description

Strahlungskollektor
Die Erfindung betrifft einen Strahlungskollektor mit einer Spiegelfläche, die eine im wesentlichen konkave Form aufweist, einem Strahlungsabsorber und einer Öffnung.
Strahlungskollektoren mit einer Spiegelfläche und einem Strahlungsabsorber sind in verschiedensten Ausführungen bekannt. Üblicherweise konzentriert ein Parabolspiegel parallel einfallende Lichtstrahlen auf ein punktförmiges oder linienförmiges Absorberelement. Dadurch werden die auf einer bestimmten Fläche einfallenden Lichtstrahlen gebündelt, um am Absorber eine möglichst hohe Stahlungsdichte zu erzeugen. Im Absorber fließen meist flüssige Medien, die durch die Strahlungsenergie erwärmt werden und an einer anderen Stelle die Wärme wieder abgeben.
Auch für Photovoltaikzellen wurden Strahlungskollektoren vorgeschlagen, die in der Praxis jedoch weniger verbreitet sind, da für Photovoltaikzellen eine weniger hohe Energiedichte ausreicht.
Unabhängig davon, ob als Absorber eine Photovoltaikzelle oder ein
Solarmodul zur Umwandlung in Wärmeenergie verwendet wird, wird an der Oberfläche des Strahlungsabsorbers ein Teil der auftreffenden Strahlung reflektiert. Da die reflektierte Strahlung nicht absorbiert wird, ist sie der Energieumwandlung nicht zugänglich und führt zu einem unerwünschten Verlust.
Es wurden viele Arten an Oberflächen vorgeschlagen, die am Absorber zu einer hohen Absorption und zu geringer Reflektion führen. Diese Oberflächen sind jedoch meist aufwendig in der Herstellung und wartungsintensiv, da sie schwer zu reinigen sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen eingangs erwähnten Strahlungskollektor mit Spiegelfläche und Strahlungsabsorber so weiterzubilden, daß ein möglichst hoher Anteil der auf den Strahlungskollektor auftreffenden Strahlung am Strahlungsabsorber absorbiert wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Querschnitt gesehen der maximale Abstand zwischen zwei Punkten der Spiegelfläche größer ist als die Breite der Öffnung.
Bekannte Strahlungskollektoren werden entweder parabolförmig oder wannenformig ausgebildet, wobei die Kollektoren eine möglichst große Lichteinfallsöffhung aufweisen. Die große Öffnung dient dazu, möglichst viel Strahlung auf den Strahlungskollektor auftreffen zu lassen, die durch die Reflektion am Strahlungskollektor zentriert wird oder direkt auf einen Strahlungsabsorber auftrifft. Im Gegensatz hierzu liegt der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß auch die vom Strahlungsabsorber reflektierte Strahlung durch ein geeignetes Spiegelsystem wieder zum Absorber zurückgeführt werden kann. Hierzu wird das Spiegelsystem derart als konkave Form ausgebildet, daß es im Querschnitt einen Winkel von mehr als 180° umschließt. Somit wird die maximal mögliche Größe der Lichteintrittsöffhung reduziert, um in das Spiegelsystem eindringende Strahlung gegebenenfalls durch wiederholte Reflektion auf den Strahlungsabsorber zu führen. Da bei jedem Auftreffen eines Strahlenganges auf den Absorber nur ein Teil der Strahlung absorbiert wird und die übrige Strahlung reflektiert wird, kann der reflektierte Strahlungsanteil durch das Spiegelsystem wiederholt auf den Strahlungsabsorber zurückgeführt werden. Das Spiegelsystem ist dabei so ausgeführt, daß der Strahlengang möglichst mindestens zweimal auf das Solarmodul auftrifft, bevor sie den Strahlungskollektor verläßt. Dies wird dadurch erreicht, daß der längste Querschnitt der konkaven Form der Spiegelfläche größer ist als die in der Spiegelfläche vorgesehene Öffhungsbreite. Zumindest ein Teil des in den Strahlungskollektor gelangenden Lichtes wird somit mehrfach reflektiert, um früher oder später auf den Strahlungsabsorber zu treffen.
Dies führt dazu, daß bei der Wahl der Oberfläche des Strahlungsabsorbers ein höherer Anteil an reflektiertem Licht zugelassen werden kann, ohne daß die Effektivität des Strahlungskollektors wesentlich beeinflußt wird. Somit sind preisgünstigere Materialien einsetzbar. Außerdem erschließt der relativ kleine Lichteintrittsspalt neue Anwendungsbereiche, bei denen nur eine relativ kleine Lichtfläche zur Verfügung steht, andererseits aber eine effektive Ausbeute des eingefallenen Lichtes gefordert wird. Derartige Anwendungsbereiche finden sich bspw. im Fassadenbau, wo nur begrenzte Bereiche als Lichteintrittsflächen zur Verfügung stehen.
Insbesondere für Anwendungen im Fassadenbau kann neben der Lichteintrittsöffαung auch eine weitere Öffnung im Spiegelsystem vorgesehen seien, die so angeordnet ist, daß nur spezielle, gerichtete Strahlung aus dem Spiegelsystem austritt. Der Strahlungskollektor kann somit sowohl zur Strahlungskonzentration als auch zur gerichteten Strahlungsabgabe bspw. ins Innere eines Gebäudes dienen. Der Strahlungskollektor wird dabei so eingebaut, daß er eine im Einbauzustand dem Licht zugewandte Lichteinfallsöffhung und eine im Einbauzustand dem Licht abgewandte Lichtausfallsöff ung aufweist.
Die konkave Spiegelfläche kann mehrere Flächenteile aufweisen, die in einem vorzugsweise stumpfen Winkel zueinander angeordnet sind, um die Form zu umgrenzen. Vorzugsweise ist die Spiegelfläche jedoch gebogen, um die Herstellung des Kollektors zu erleichtern.
Als Spiegelfläche kommt beispielsweise auch eine kugelförmige Fläche in Frage. Vorzugsweise ist die konkave Spiegelfläche jedoch um eine Achse angeordnet, da dies zu einer effektiven Bauform führt. Versuche haben gezeigt, daß besonders gute Ergebnisse erzielt werden, wenn der Winkel a zwischen den Rändern der Öffnung und dem Schwerpunkt weniger als 150° beträgt. Dies ermöglicht einerseits eine gute Reflektion an der Kollektorfläche und andererseits eine ausreichende Öffnung für den Strahlungseinfall.
Um einen ausreichenden Strahlungseinfall zu gewährleisten, wird vorgeschlagen, daß der Winkel vorteilhafterweise mehr als 10° aufweist.
In einer anderen Betrachtungsweise umschließt der Kollektor im Querschnitt einen Zylinder um' einen Winkel von mehr als 180°, vorzugsweise mehr als 210° und weniger als 350° .
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß der Absorber im Bereich der Spiegelfläche angeordnet ist. Hierzu wird ein Teil der Spiegelfläche als Absorber ausgebildet, der somit einen Teil der Strahlung aus dem System entnimmt und umwandelt, während die restliche Strahlung am Absorber reflektiert wird. Der erfindungsgemäße Strahlungskollektor erlaubt es, sogar den Absorber parallel zur Lichteintrittsrichtung anzuordnen.
Die beschriebene Ausführung der Spiegelfläche erlaubt es, den Absorber auch an beliebiger Stelle innerhalb der konkaven Form anzuordnen. Beispielsweise kann ein Absorberrohr an beliebiger Stelle innerhalb des Spiegelsystems angeordnet werden. Die vorgenannten Ausführungen zeigen, daß der erfindungsgemäße Strahlungskollektor für unterschiedliche Absorberarten eingesetzt werden kann. Bevorzugte Einsatzgebiete sind Absorber, die mindestens eine Photo voltaikzelle aufweisen und Absorber mit Solarmodulen zur Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärmeenergie.
Mehrere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Strahlungskollektors sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigt
Figur 1 einen Strahlungskollektor mit vieleckiger Spiegelfläche,
Figur 2 einen Strahlungskollektor mit kreissegmentförmiger Spiegelfläche und Absorber in Bereich der Spiegelfläche und
Figur 3 einen Strahlungskollektor mit kreissegmentförmiger Spiegelfläche, Zentralabsorber und zwei Lichtöffhungen.
Der in Figur 1 gezeigte Strahlungskollektor 1 hat eine Spiegelfläche 2, die aus fünf winklig zueinander angeordneten Spiegeln 3, 4, 5, 6 und 7 besteht. Diese Spiegel 3 bis 7 sind so zueinander angeordnet, daß sie mit einem Strahlungsabsorber 8 eine konkave Form umgrenzen. Zwischen dem Strahlungsabsorber 8 und der Spiegelfläche 7 ist eine Lichteintrittsöffhung 9 vorgesehen, durch die ein Lichtstrahl 10 in den von Spiegelflächen und dem Absorber umgrenzten Raum eintritt. Die Lichteintrittsöffhung hat eine Breite (a), die kleiner ist als der maximale Abstand (A) zwischen zwei Punkten der Spiegelfläche 2. Der Winkel zwischen den Rändern der Öffnung 9 und dem Schwerpunkt S beträgt etwa 30°.
Der Lichtstrahl 10 wird im konkaven Raum von den Spiegelflächen 3 bis 7 reflektiert, bis er auf den Absorber 8 gelangt. An der Stelle 11 auf der Absorberoberfläche wird ein Teil der Strahlungsenergie absorbiert und der Rest reflektiert. Der reflektierte Strahlungsanteil wird wiederum über die Spiegelflächen 6, 3 und 5 zurück zum Absorber 8 geführt, um im Punkt 12 erneut auf den Absorber aufzutreffen. Auch hier wird ein Teil der auftreffenden Strahlungsenergie absorbiert und der Rest reflektiert. Der Reststrahl wird solange weiter an den Spiegelflächen und am Absorber reflektiert, bis er durch die Lichteintrittsöffnung 9 wieder aus dem Strahlungskollektor 1 entweicht.
Der Lichtstrahl trifft somit wiederholt auf die Absorberfläche 8 und nur ein geringer Reststrahlungsanteil verläßt den Strahlungskollektor. Auch bei starker Reflektion am Absorber 8 ist somit eine effektive Strahlungsabsorption zu erreichen.
Die Anordnung der Spiegelflächen zueinander, das heißt deren Anzahl und Winkelstellungen sowie die Breite der Lichteintrittsöffnung 9 und die Position des Absorbers 8 sind individuell an die gegebenen Anforderungen anpaßbar und können rechnerisch optimiert werden.
Die Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Strahlungskollektors 20. Dieser Strahlungskollektor ist im Querschnitt kreisförmig aufgebaut. Durch eine Lichteintrittsöffhung 21 tritt Strahlungsernergie in einen konkaven Hohlraum, der durch eine Spiegelfläche 22 und einen Absorber 23 gebildet ist. Auch hier wird der Lichtstrahl an den Spiegelflächen 22 reflektiert, um zum Absorber 23 gelenkt zu werden und auch vom Absorber 23 reflektierte Lichtstrahlen werden mit hoher Wahrscheinlichkeit wieder zum Absorber 23 zurückgeführt. Die Biegung der Reflektorflächen, die Anordnung des Absorbers und Größe und Position der Lichteintrittsöffhung 21 sind individuell auf ein spezielles Einsatzgebiet abzustimmen. Reflektierende Einbauten innerhalb der konkaven Kollektorform können die Effektivität des Strahlungskollektors erhöhen.
Eine Ausführungsform eines Strahlungskollektors 30 mit zwei Lichtöffhungen 31 und 32 ist in Figur 3 dargestellt. Der Kollektor 30 ist zwischen zwei Mauerstücken 33 und 34 angeordnet und die Lichteintrittsöffhung befindet sich an der Außenseite 35, während sich die Lichtaustrittsöffhung 32 zur Innenseite 36 hin öffnet. Im Zentrum des Strahlungskollektors 30 ist ein Absorber 37 angeordnet.
Durch die Lichteintrittsöffhung 31 in den Strahlungskollektor 30 eintretende Strahlung wird entweder am Aborber 37 absorbiert oder gelangt auf die Spiegelflächen 38 oder 39, an denen der Lichtstrahl reflektiert wird. Der auf den Absorber 37 auftreffende Lichtstrahl wird zum Teil absorbiert und der restliche Teil wird reflektiert, so daß er mit großer Wahrscheinlichkeit auf die Spiegelflächen 38 und 39 trifft und von diesen Flächen weiter reflektiert wird. Die Strahlung wandert somi lange im Strahlungskollektor 30 umher, bis sie durch die Lichteintrittsöffhung 31 oder die Lichtaustrittsöffhung 32 den Kollektor verläßt. Der Aufbau von Absorberund Strahlungsflächen sollte möglichst so gestaltet werden, daß wenig Strahlung durch die Lichteintrittsöffhung den Strahlungskollektor 30 verläßt und durch die Lichtaustrittsöffhung 32 zumindest eine geringe Beleuchtung des Innenraums ermöglichst wird. Selbstverständlich kann an der Stelle der Lichtaustrittsöffhung 32 auch eine weitere Reflektor- oder Absorberfläche angeordnet werden.
Im vorliegenden Fall ist als Absorberfläche ein Solarmodul vorgesehen, das die Stahlungsenergie in Wärmeenergie umwandelt. Der Absorber kann jedoch auch als Photo voltaikzelle ausgebildet sein, die bekanntlich einen hohen Grad an Reflektionsstrahlung aufweist.

Claims

Patentansprüche:
1. Strahlungskollektor (1) mit einer Spiegelfläche (2) die eine im wesentlichen konkave Form aufweist, einem Strahlungsabsorber (8) und einer Öffnung (9), dadurch gekennzeichnet, daß im Querschnitt gesehen der maximale Abstand (A) zwischen zwei Punkten der
Spiegelfläche (2) größer ist als die Breite (a) der Öffnung (9).
2. Strahlungskollektor (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelfläche (2) eine im Einbauzustand dem Licht zugewandete Lichteinfallsöffnung (31) und eine im Einbauzustand dem Licht abgewandte Lichtausfallsöffnung (32) aufweist.
3. Strahlungskollektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelfläche (2) gebogen ist.
4. Strahlungskollektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Spiegelfläche (2) um eine Achse (13) angeordnet ist.
5. Strahlungskollektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel a zwischen den Rändern der Öffnung (9) und dem Schwerpunkt (S) weniger als 180°, vorzugsweise weniger als 150°, beträgt.
6. Strahlungskollektor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel a mehr als 10° aufweist.
7. Strahlungskollektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (8) im Bereich der Spiegelfläche angeordnet ist.
8. Strahlungskollektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (37) innerhalb der konkaven Form angeordnet ist.
9. Strahlungskollektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (8) eine
Photovoltaikzelle aufweist.
10. Strahlungskollektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (37) ein Solarmodul zur Umwandlung in Wärmeenergie aufweist.
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ITAN20110068A1 (it) * 2011-06-03 2012-12-04 Giacomo Galli Collettore solare perfezionato.

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