WO2006111940A2 - Kollektor und kollektoranordnung zur gewinnung von wärme aus einfallender strahlung - Google Patents

Kollektor und kollektoranordnung zur gewinnung von wärme aus einfallender strahlung Download PDF

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WO2006111940A2
WO2006111940A2 PCT/IB2006/051246 IB2006051246W WO2006111940A2 WO 2006111940 A2 WO2006111940 A2 WO 2006111940A2 IB 2006051246 W IB2006051246 W IB 2006051246W WO 2006111940 A2 WO2006111940 A2 WO 2006111940A2
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Ahmet Lokurlu
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/80—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors having discontinuous faces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S40/00—Safety or protection arrangements of solar heat collectors; Preventing malfunction of solar heat collectors
    • F24S40/80—Accommodating differential expansion of solar collector elements
    • F24S40/85—Arrangements for protecting solar collectors against adverse weather conditions
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers

Definitions

  • the invention relates to a collector and a collector arrangement for recovering heat from incident, preferably solar radiation.
  • Concentrating collectors for generating heat from solar energy are very often designed as parabolic trough collectors.
  • the world's largest application is in solar farm power plants, where solar heat is used to heat a heat carrier (mostly thermal oil).
  • the heat carrier gives the transmitted to him solar heat to a Steam power process.
  • the necessary high temperature level requires a high concentration of solar radiation.
  • the parabolic trough collectors consist of an elongate reflector 110, which has a parabolic profile transversely to its longitudinal direction, see FIG. 8.
  • An absorber tube 120 in which a heat transfer medium flows, is arranged in the focal axis of the reflector.
  • the heat transfer medium absorbs the heat absorbed by the pipe and transports it to a heat consumer site, for example a thermal power plant.
  • parabolic trough collectors are also used to generate heating heat and process heat.
  • parabolic trough collectors result from the physical principle of concentration or focusing.
  • the contour of the reflector must have a high accuracy so that the reflected rays impinge on the suction tube.
  • a considerable part of the reflected rays misses the target, resulting in considerable power losses and corresponding reductions in efficiency.
  • the principle of concentration also requires precise tracking of the collectors.
  • the collectors are then always aligned so that their reflectors are always arranged orthogonal to the direction of the incident sunbeams.
  • the parabolic troughs are designed as elongated troughs ", which are usually connected in series in a row to a large collector array.
  • the large length of the individual troughs may cause additional deformation of the reflector due to torsional forces, which would also lead to a false focus special structural measures are taken to prevent torsion of the parabolic trough, such as torsion tubes or elaborate steel lattice constructions on the back of the mirrors, which help prevent the entire structure consisting of reflector and absorber tube from deforming Torsion or being protected by wind forces.
  • the collector is temporarily exposed to strong winds.
  • the wind forces also require a dimensionally stable construction of the collector, otherwise the reflector would deform under the influence of wind forces and the focus line would drift away from the absorber tube.
  • the parabolic trough collectors used in industrial plants and in solar power plants are therefore protected against deformation by wind influences by correspondingly complex auxiliary structures.
  • the complex auxiliary structures to ensure the dimensional stability of the reflector require compared to the reflector itself a high cost of materials and are due to this cost of materials and because of their complicated design costly in production. Therefore, they make the production of the entire collector, and in particular the production of a whole solar energy plant, disproportionately expensive.
  • the present invention seeks to provide a reflector device for a collector or collectors in a collector arrangement ready, which already has such a high dimensional stability in itself, that no further significant additional expenses to increase the dimensional stability of the reflector necessary.
  • the claimed reflector device comprises a plurality of facet elements, which are arranged at an angle to each other such that the reflector device has a zigzag profile and that the facet elements of a first group of the plurality each have a reflective surface and are arranged such that they each reflect the incident on their reflective surfaces radiation over different focal lengths in the common first focusing region of the reflector device.
  • This claimed embodiment of the reflector device with a plurality of zigzag arranged facet elements offers the advantage of high inherent stability. Because of this intrinsic or dimensional stability, the reflector device is advantageously at least largely stable in its shape or resistant to possibly attacking wind or torsional forces, without it having to be mechanically reinforced by additional structural measures. The reflector device is therefore very inexpensive to manufacture.
  • the facet elements of a second group of the plurality of facet elements are each heat-absorbing on their upper side facing the radiation and have on their underside facing away from the incident radiation a facet element absorber device for removing the heat absorbed in particular on its upper side ,
  • a first alternative possibility is provided to make heat additionally usable by means of the facet elements of the second group, which do not focus the radiation into the first focusing area.
  • a second alternative to the utilization of heat by means of the facet elements of the second group is to each reflect their reflective surface facing the incident radiation and align it so that these facet elements reflect the incident radiation into a common second focusing region of the reflector device.
  • the heat can then advantageously be utilized by means of a second absorber device arranged there.
  • the second absorber device it is also possible to provide at least one secondary reflector device which preferably deflects or reflects the radiation reflected by the facet elements of the second group into the first focusing region before reaching the second focusing region.
  • the provision of the secondary reflector means can be designed to save space compared to the provision of the second absorber in the second focusing region.
  • the individual facet elements are preferably profiled parabolically.
  • a planar profiling of the facet elements is also possible; However, it offers compared to a parabolic profiling a reduced efficiency.
  • the reflector device can have a parabolic profile that is homogeneous in itself, which is preferably oriented such that it likewise reflects the rays incident there into one of the focusing regions of the reflector device.
  • the first or the second absorber device in the first or second focusing region of the reflector device and / or the facet element absorber devices on the underside of the facet elements of the second group are preferably all of a similar construction. All these absorbers typically have a flow channel, for example in the form of a tube, in which a heat transfer medium, for example thermal oil, flows to
  • the reflector device is formed with the facet elements so that it extends in a plane.
  • the reflector device according to the invention therefore has a much smaller space requirement, because a lower overall height.
  • the reflector means may be formed with the facet elements circular or alternatively elongated, depending on the available space requirements, or according to the desired design.
  • the first focusing region is naturally substantially spherical or punctiform, while the second focusing region is annular.
  • the facet element Absorbing device and / or the second absorber device in the second focus area annular and concentric with the reflector device formed.
  • both its first and second focusing region and also the associated absorber devices are likewise elongated, preferably of tubular design.
  • the reflector device is preferably formed from sheet metal, for example from aluminum sheet. It can then be very easily produced using metal presses with appropriate dies in high quantities at low processing costs and high manufacturing accuracy.
  • collector assembly according to claim 16.
  • the advantages of this solution correspond substantially to the advantages mentioned above with reference to the described collector.
  • FIG. 1 shows a collector according to the invention
  • Figure 2 is a diagram for illustrating the construction of the collector
  • FIG. 3 shows a collector arrangement
  • Figure 4 is a diagram for illustrating the construction of the collector assembly
  • FIG. 5 shows a first variant of the collector arrangement
  • FIG. 6 shows a second variant of the collector arrangement
  • Figure 7 shows the collector assembly installed in a frame
  • Figure 8 shows a concentrating collector according to the prior art
  • Figure 9 is a multi-faceted facet reflector with secondary reflectors
  • FIG. 10 shows a multiple-effect facet collector with housing and rectangular absorber tubes as well as with heat insulation and a planar glass cover of the absorber surface.
  • Figure 1 shows an example of the collector 100 according to the invention. It serves to recover heat from incident solar radiation. It comprises a reflector device 110 having a multiplicity of facet elements 110-I-i and 110-II-n, where i, n each represent a natural number. According to the invention, the individual facet elements in the reflector device 110 are arranged at an angle to one another, so that the zigzag or fan-shaped profile 116 shown in FIG. 1 results for the reflector device. To simplify the further embodiments, the facet elements are divided into a first group I in a second group II, wherein the elements of the first group in Figure 1 from bottom left to top right and the facet elements of group II from top left to bottom right.
  • the angle a between the tangents of two adjacent facet elements can lie in their contact point in an angle range ⁇ 180 ° and be different for the individual points of contact.
  • at least one group of facet elements is always provided with a reflecting surface and is respectively positioned within the reflector device with respect to the incident radiation such that they reflect the incident sunrays into a first first focusing region 130-1 associated with the first group of facet elements.
  • the individual facet elements each have a different distance from the first focusing area 130-1 assigned to them in common, and therefore reflect the incident sunrays each with different focal lengths into this first focusing area.
  • the collector 100 has, in the first focusing area 130-1, a first absorber 120-1, which is heated by the reflecting radiation and designed to dissipate the absorbed heat to a heat consumer site, for example a thermal power plant, a heater or a process.
  • a heat consumer site for example a thermal power plant, a heater or a process.
  • the absorber device 120-1 is typically designed in the form of a flow channel in which a heat carrier, for example thermal oil, flows in order to remove the heat to the consumer point.
  • the flow channel may in principle have any desired cross-section, but flow channels having a rectangular or triangular cross-section have proven themselves due to their larger surface area compared to flow channels with a circular cross-section and the associated greater efficiency.
  • FIG. 1 shows a first variant of the collector 100.
  • This first variant consists in that not only the facet elements 110-Ii of the first group, but also the facet elements 110-II-n of a second group II of the plurality of facet elements of the reflector device 110 are provided with a reflecting surface.
  • the facet elements of the second group are further aligned within the reflector device so that they focus the incident on them sun rays on a second focusing region 130-2 of the reflector device 110.
  • the second focusing area 130-2 is also associated with a second absorber 120-2 for additionally absorbing the radiation reflected by the facet elements of the second group II; the collector is therefore doubly effective.
  • the facet elements 110 -Ii and 110-II-n are limited to a region B. Outside this region B, the reflector device 110 preferably has a homogeneous parabolic profile 118, which is aligned so that it the respective incident radiation is also focused in one of the two focusing areas 130-1 or 130-2.
  • the facet elements 110-I-i and 110-II-n provided with reflective surface are parabolically profiled in cross-section to achieve the best possible concentration or focusing of the incident sunbeams into the first or second focus region 130-1 130-2; see Figure 2.
  • the width of the individual facet elements over the entire width of the reflector device 110 assumes a very small value, then the formation of the facet elements 110-In, 110-II-n can be simplified in that the facet elements in their profile not parabolic, but formed with a flat surface.
  • the focusing then takes place somewhat inaccurate or blurred as in a parabolic formation of the facet elements and then forms no line, but a narrow band of the reflected solar radiation on the absorber devices 120-1, 120-2.
  • the width of the facet elements should be smaller than the diameter of the flow channel of the absorber.
  • the reflector device 110 is essentially aligned in one plane. In contrast to parabolic trough collectors, it is therefore characterized by a low overall height and a resulting low Installation volume off.
  • the reflector device 110 shown in FIG. 1 is particularly stable against acting deformation forces, without it having to be supported or stabilized by additional complicated and cost-intensive constructional measures. It can very efficiently be produced in high volumes at very low processing costs with high manufacturing accuracy using metal presses provided with appropriate stamps.
  • the reflector device shown in Figure 1 is preferably formed elongated along a longitudinal axis. Parallel to this longitudinal axis, extending perpendicularly to the plane of the drawing in FIG. 1 but not shown, the focusing regions 130-1, 130-2, which are ideally designed as focussing lines, run the tubular flow channels of the first and second absorber devices 120-1, 120-2 and the facet elements 110-Ii, 110-II-n formed in the form of webs.
  • FIG. 3 shows a collector arrangement in which two collectors according to FIG. 1 are connected to one another via a parabolic reflector section P.
  • the construction and operation of the reflector arrangement essentially correspond to the structure described above with reference to FIG. 1 and the mode of operation of a single collector 100.
  • the collector arrangement 200 according to FIG. 3 it can only be stated that the two collectors 100-1 and 100 11 are so interconnected that a focusing area of the first collector 100-1 overlaps with a focusing area of the second collector 100-11.
  • This has the advantage that only one absorber device 120 is required to absorb the heat in the overlapping focusing region 130. This is then heated particularly strongly and therefore serves to absorb high-temperature heat.
  • the collector arrangement 200 shown in FIG. 3 can either be elongated in the drawing plane or circular.
  • the focusing area represents a focusing line, or a focusing axis, while in the latter case it would be spherical or punctiform.
  • FIG. 4 illustrates, similar to FIG. 2, the construction of the reflector device 110 according to FIG. 3 with a parabolic design of the cross section of the facet elements.
  • the facet element absorber device 140 is preferably constructed analogously to the first and second absorber device, but if necessary much smaller, because at least their individual flow channels must find room on the undersides U of the facet elements 110-II-n. They flow channels under the individual facet elements are preferably connected to each other and together form the facet element absorber 140. This is typically not heated as much as the first or second absorber 120-1, 120-2 and therefore, unlike the first and second absorber means Production of low-temperature heat.
  • FIG. 6 shows a second variant of the collector arrangement 200 according to FIG. 3, here too the focusing elements 110-I-i which focus the incident radiation into the first focusing area 130-1; this is indicated in FIG. 6 by the two thin solid lines drawn from the right or left edge of the reflector device 110 to the first focusing region 130 - 1, respectively.
  • the facet elements of the second group II are not formed with an absorbent layer but instead with a reflective layer on their upper side. Therefore, they reflect the rays incident on them first in the right and left edge region of the collector assembly 200.
  • the reflective rays meet there on sub-reflectors 112, 114, to also reflected in the first focusing region 130-1 of the collector assembly 200 and to be diverted.
  • the two secondary reflectors 112, 114 may be integrally formed in the form of a circumferential ring. Due to the deflection caused by the secondary reflectors 112, 114, there is increased heating of the first absorber device 120 located in the first focusing region 130-1.
  • FIG. 7 shows the collector assembly 200 according to the invention installed in a suitable frame 210.
  • the frame 210 serves to receive, for example, two collectors 100-1 and 100-11, which are each designed in accordance with the embodiment described above with reference to FIG.
  • the individual components of the collectors 100-1, 100-11, that is their respective reflector insert directions 110-1, 110-11 and their absorber devices 120-1... 3 are each fixed within the frame and are arranged with respect to each other for optimum heat absorption.
  • two focusing areas of the two collectors 100-1 and 100-11 overlap in the central focusing area 130-1.
  • a suitable absorber device 120-1... 3 is provided in each case.
  • the housing 210 may be formed circular or elongate according to the design of the collector assembly. Preferably, it is covered by a suitably cut glass cover. On the one hand, the glass cover advantageously increases the heat development within the housing and, on the other hand, is easier to keep clean, in particular with respect to the faceted reflector devices 110-1 and 110-11, whereby a high degree of efficiency can be easily maintained.
  • Figure 9 shows a double-acting facet reflector / collector which utilizes the entire surface of the structure to focus the solar radiation into a beam (195).
  • the strips of the primary profile (190-0) of the reflector / collector which are not aligned with the primary focus (130-0) are likewise provided with a parabolic profile and arranged such that they reflect the rays incident on them to at least one secondary focus axis located outside the collector .
  • On the two long sides of the collector are secondary reflectors, which correspond to the secondary parabolic profiles (190-1, 190-2), at which the radiation impinging on them is reflected on the absorber tube of the (neighbor) collector. Therefore, located on the longitudinal sides of the collector side walls are made of a low-reflection material.
  • the attachment device of the absorber tubes to the collector can be integrated in a cost-effective manner in a stable, box-shaped overall construction of the collector in an advantageous manner.
  • the absorber tubes can be designed as round tubes, as rectangular tubes or as triangular tubes with a larger, flat absorber surface and be provided on the surface portions that are not exposed to the incident radiation, with a thermal insulation.
  • a glass cover can be designed as a flat, elongated glass. This arrangement also makes it possible to make a tracking of the collector according to the position of the sun to increase the solar yield.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kollektor und eine Kollektoranordnung zur Gewinnung von Wärme, insbesondere aus einfallender Sonnenstrahlung. Derartige Kollektoren und Kollektoranordnungen sind grundsätzlich im Stand der Technik bekannt. Ein einzelner bekannter Kollektor umfasst typischerweise eine Reflektoreinrichtung (110) zum Reflektieren der einfallenden Strahlung auf mindestens einen Fokussierungsbereich (130-1) der Reflektoreinrichtung (110). Weiterhin umfasst ein typischer Kollektor eine in dem Fokussierungsbereich angeordnete Absorbereinrichtung. Um der Reflektoreinrichtung eine hohe Eigenstabilität, insbesondere gegen auftretende Wind- und Torsionskräfte zu verleihen, wird erfahrungsgemäß vorgeschlagen, die Reflektoreinrichtung mit einer Vielzahl von Facettenelementen (110-I-i, 110-II-n) auszubilden, welche winkelig so zueinander angeordnet sind, dass die Reflektoreinrichtung (110) ein zickzackförmiges Profil (116) aufweist.

Description

Description
KOLLEKTOR UND KOLLEKTORANORDNUNG ZUR GEWINNUNG VON WÄRME AUS EINFALLENDER
STRAHLUNG
Die Erfindung betrifft einen Kollektor sowie eine Kollektoranordnung zur Gewinnung von Wärme aus einfallender, vorzugsweise solarer Strahlung.
Stand der Technik
Die Bemühungen um den Einsatz von fossilen Brennstoffen haben zu einer starken Entwicklung alternativer Energiesysteme geführt. Der Solarenergie kommt bei diesen Entwicklungen eine entscheidende Rolle zu. Bei der zur Zeit üblichen Nutzung der Solarenergie haben sich neben der fotovoltaischen Umwandlung der Solarstrahlung in Elektrizität vielen verschiedene Verfahren zur Erzeugung von Wärme für die unterschiedlichsten Anwendungen herauskristallisiert. Die am meisten verbreitete wärmetechnische Anwendung ist die Erzeugung von Niedertemperaturwärme bis etwa 90°C bis 100°C in nicht-konzentrierenden Solarkollektoren. Zwar sind in nicht- konzentrierenden, d. h. nicht-fokussierenden Kollektoren auch höhere Temperaturen bis etwa 150°C erzielbar, jedoch mit einem unangemessen hohen technischen Aufwand. Mit steigendem Temperaturniveau nehmen die Wärmeverluste überproportional zu. Dadurch wird der Wirkungsgrad dieser Kollektoren sehr gering und die Ausbeute der Solarenergie nimmt dramatisch ab.
Da in vielen Anwendungen, zum Beispiel in der solarthermischen Kraftwerkstechnik, wesentlich höhere Temperaturen benötigt werden als sie von nicht- fokussierenden Kollektoren bereitgestellt werden können, wurden in der Vergangenheit konzentrierende, d. h. fokussierende Kollektoren entwickelt. Bei diesen wird die Solarstrahlung mithilfe konzentrierender Reflektoren auf einen Fokuspunkt oder eine in Längsrichtung der Reflektoren ausgedehnte Fokusachse gelenkt. Dabei findet die Umwandlung der Strahlung in Wärme innerhalb eines extrem kleinen Bereiches statt. Die Oberfläche, an der Wärme durch Leitung und Konvektion in die Umgebung verloren gehen kann, wird damit auf einen Bruchteil der Gesamtfläche des Reflektors reduziert. Im gleichen Umfang verringern sich damit auch Wärmeverluste eines konzentrierenden gegenüber einem nicht-konzentrierenden Kollektor.
Konzentrierende Kollektoren zur Erzeugung von Wärme aus Solarenergie werden sehr häufig als Parabolrinnenkollektoren ausgeführt. Die weltweit größte Anwendung findet in Solarfarm-Kraftwerken statt, in denen die Solarwärme zur Erwärmung eines Wärmeträgers (meist Thermoöl) eingesetzt wird.
Der Wärmeträger gibt die an ihn übertragene Solarwärme an einen Dampfkraftprozess ab. Das dafür notwendige hohe Temperaturniveau erfordert eine hohe Konzentration der Sonnenstrahlen.
Die Parabolrinnenkollektoren bestehen aus einem langgestreckten Reflektor 110, der quer zu seiner Längsrichtung ein parabolisches Profil aufweist, siehe Figur 8. In der Fokusachse des Reflektors ist ein Absorberrohr 120 angeordnet, in dem ein Wärmeträgermedium strömt. Das Wärmeträgermedium nimmt die von dem Rohr absorbierte Wärme auf und transportiert diese zu einer Wärmeverbraucherstelle, zum Beispiel einem thermischen Kraftwerk. Außer einer derartigen kraftwerktechnischen Anwendung werden Parabolrinnenkollektoren auch zur Erzeugung von Heizwärme und von Prozesswärme eingesetzt.
Die Anforderungen an die Konstruktion von Parabolrinnenkollektoren resultieren aus dem physikalischen Prinzip der Konzentration beziehungsweise Fokussierung. So muss die Kontur des Reflektors eine hohe Genauigkeit aufweisen, damit die reflektierten Strahlen auf dem Absaugerohr auftreffen. Bei ungenauer Geometrie verfehlt ein erheblicher Teil der reflektierten Strahlen das Ziel, es kommt zu erheblichen Leistungseinbußen und entsprechenden Wirkungsgradminderungen.
Das Prinzip der Konzentration erfordert weiterhin eine präzise Nachführung der Kollektoren. Die Kollektoren sind dann stets so ausgerichtet, dass ihre Reflektoren immer orthogonal zur Richtung der einfallenden Sonnenstrahlen angeordnet sind.
Die Parabolrinnen werden als langgestreckte Tröge" ausgeführt. Meistens werden diese in mehreren Reihen hintereinander zu einem großen Kollektorfeld zusammengeschaltet. Durch die große Länge der einzelnen Tröge können zusätzliche Verformungen des Reflektors infolge von Torsionskräften auftreten, die ebenfalls zu einer Fehlfokussierung führen würden. Um dem entgegen zu wirken, werden besondere konstruktive Maßnahmen gewählt, die eine Torsion der Parabolrinne verhindern. So findet man bei einigen Bauformen Torsionsrohre" oder aufwendige Stahlgitterkonstruktionen auf der Rückseite der Spiegel, mit deren Hilfe die gesamte Konstruktion, bestehend aus Reflektor und Absorberrohr, gegen eine Verformung durch Torsion oder durch Windkräfte geschützt wird.
Der Kollektor ist zeitweise starkem Wind ausgesetzt. Die Windkräfte machen ebenfalls eine formstabile Konstruktion des Kollektors erforderlich, weil sonst der Reflektor unter dem Einfluss der Windkräfte deformiert und die Fokuslinie von dem Absorberrohr wegdriften würde. Die in Industrieanlagen und in Solarkraftwerken eingesetzten Parabolrinnenkollektoren sind daher durch entsprechend aufwendige Hilfskonstruktionen gegen die Deformation durch Windeinflüsse geschützt. Die aufwendigen Hilfskonstruktionen zur Sicherung der Formstabilität des Reflektors erfordern gegenüber dem Reflektor selber einen hohen Materialaufwand und sind aufgrund dieses Materialaufwandes sowie aufgrund ihrer komplizierten Konstruktion kostenintensiv in der Herstellung. Sie verteuern deshalb die Herstellung des gesamten Kollektors und insbesondere die Herstellung einer ganzen Solarenergieanlage überproportional stark.
Aufgabe
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Reflektoreinrichtung für einen Kollektor oder für Kollektoren in einer Kollektoranordnung bereit zustellen, welche bereits in sich eine so hohe Formstabilität aufweist, dass keine weiteren wesentlichen zusätzlichen Aufwendungen zur Erhöhung der Formstabilität des Reflektors notwendig sind.
Lösung
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass die beanspruchte Reflektoreinrichtung eine Vielzahl von Facettenelementen umfasst, welche winkelig so zueinander angeordnet sind, dass die Reflektoreinrichtung ein zickzackförmiges Profil aufweist und dass die Facettenelemente einer ersten Gruppe aus der Vielzahl jeweils eine reflektierende Oberfläche aufweisen und so angeordnet sind, dass sie die auf ihre reflektierenden Oberflächen einfallende Strahlung jeweils über unterschiedliche Fokallängen in den gemeinsamen ersten Fokussierungsbereich der Reflektoreinrichtung reflektieren.
Diese beanspruchte Ausgestaltung der Reflektoreinrichtung mit einer Vielzahl von zickzackförmig angeordneten Facettenelementen bietet den Vorteil einer hohen Eigenstabilität. Aufgrund dieser Eigen- bzw. Formstabilität ist die Reflektoreinrichtung in ihrer Form vorteilhafterweise zumindest weitgehend stabil beziehungsweise resistent gegenüber eventuell angreifenden Wind- oder Torsionskräften, ohne dass sie durch zusätzliche konstruktive Maßnahmen mechanisch verstärkt werden müsste. Die Reflektoreinrichtung ist deshalb sehr preisgünstig in ihrer Herstellung.
Gemäß einem ersten alternativen Ausführungsbeispiel der Reflektoreinrichtung sind die Facettenelemente einer zweiten Gruppe aus der Vielzahl von Facettenelementen jeweils an ihrer der Strahlung zugewandten Oberseite wärmeabsorbierend ausgebildet und weisen an ihrer der einfallenden Strahlung abgewandten Unterseite eine Facettenelement- Absorbereinrichtung auf zum Abtransport der insbesondere an ihrer Oberseite absorbierten Wärme. Auf diese Weise wird vorteilhafterweise eine erste alternative Möglichkeit bereitgestellt, Wärme auch mithilfe der Facettenelemente der zweiten Gruppe, welche die Strahlung nicht in den ersten Fokussierungsbereich fokussieren, zusätzlich nutzbar zu machen.
Eine zweite Alternative zur Nutzbarmachung von Wärme mithilfe der Facettenelemente der zweiten Gruppe beseht darin, jeweils deren der einfallenden Strahlung zugewandten Oberfläche reflektierend auszubilden und so auszurichten, dass diese Facettenelemente die einfallende Strahlung in einen gemeinsamen zweiten Fokussierungsbereich der Reflektoreinrichtung reflektieren. In diesem zweiten Fokussierungsbereich kann die Wärme dann vorteilhafterweise mithilfe einer dort angeordneten zweiten Absorbereinrichtung genutzt werden.
Alternativ zu der zweiten Absorbereinrichtung kann auch mindestens eine Nebenre- flektoreinrichtung vorgesehen sein, welche die von den Facettenelementen der zweiten Gruppe reflektierte Strahlung vor Erreichen des zweiten Fokussierungsbereiches vorzugsweise in den ersten Fokussierungsbereich umlenkt beziehungsweise reflektiert. Das Vorsehen der Nebenreflektoreinrichtungen kann gegenüber dem Vorsehen der zweiten Absorbereinrichtung in dem zweiten Fokussierungsbereich raumsparend ausgeführt sein.
Zum Erzielen eines hohen Wirkungsgrades ist es vorteilhaft, wenn eine möglichst hohe Konzentration beziehungsweise Fokussierung der Strahlung realisiert werden kann; dazu sind die einzelnen Facettenelemente vorzugsweise parabolisch profiliert. Eine ebene Profilierung der Facettenelemente ist ebenfalls möglich; sie bietet jedoch gegenüber einer parabolischen Profilierung einen verminderten Wirkungsgrad.
In ihren Randbereichen, das heißt außerhalb des facettierten Bereiches kann die Reflektoreinrichtung ein in sich homogenes parabolisches Profil aufweisen, welches vorzugsweise so ausgerichtet ist, dass es die dort einfallenden Strahlen ebenfalls in einen der Fokussierungsbereiche der Reflektoreinrichtung reflektiert. Die erste oder die zweite Absorbereinrichtung in dem ersten oder zweiten Fokussierungsbereich der Reflektoreinrichtung und/oder die Facettenelement- Absorbereinrichtungen auf der Unterseite der Facettenelemente der zweiten Gruppe sind vorzugsweise alle gleichartig aufgebaut. Alle diese Absorbereinrichtungen weisen typischerweise einen Strömungskanal, zum Beispiel in Form eines Rohres, auf, in welchem ein Wärmeträger, zum Beispiel Thermoöl, strömt zum
Aufnehmen und Abtransportieren der aus der Energie der Strahlung gewonnenen beziehungsweise absorbierten Wärme.
Vorteilhafterweise ist die Reflektoreinrichtung mit den Facettenelementen so ausgebildet, dass sie sich in einer Ebene erstreckt. Im Unterschied zu bekannten Parabolrinnenkollektoren hat die erfindungsgemäße Reflektoreinrichtung deshalb einen wesentlich geringeren Raumbedarf, weil eine geringere Gesamthöhe.
Vorteilhafterweise kann die Reflektoreinrichtung mit den Facettenelementen kreisförmig oder alternativ dazu langgestreckt ausgebildet sein, je nach verfügbarem Raumbedarf, beziehungsweise nach gewünschtem Design. Bei kreisförmiger Ausgestaltung der Reflektoreinrichtung ist der erste Fokussierungsbereich naturgemäß im Wesentlichen kugel-beziehungsweise punktförmig, während der zweite Fokussierungsbereich ringförmig ist. Entsprechend sind dann die Facettenelement- Absorbereinrichtung und/oder die zweite Absorbereinrichtung in dem zweiten Fokussierungsbereich ringförmig und konzentrisch mit der Reflektoreinrichtung ausgebildet. Demgegenüber sind bei langgestreckter Ausführung der Reflektoreinrichtung sowohl dessen erster und zweiter Fokussierungsbereich wie auch die zugehörigen Absorbereinrichtungen ebenfalls langgestreckt, vorzugsweise rohrförmig ausgebildet. Die Reflektoreinrichtung ist vorzugsweise aus Metallblech, zum Beispiel aus Aluminiumblech gebildet. Sie lässt sich dann sehr einfach mithilfe von Metallpressen mit entsprechenden Prägestempeln in hohen Stückzahlen zu geringen Verarbeitungskosten bei gleichzeitig hoher Fertigungsgenauigkeit produzieren.
Die oben genannte Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch eine Kollektoranordnung gemäß Patentanspruch 16 gelöst. Die Vorteile dieser Lösung entsprechen im Wesentlichen den oben mit Bezug auf den beschriebenen Kollektor genannten Vorteilen. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn insbesondere benachbarte Kollektoren in der Kollektoranordnung zumindest teilweise so angeordnet sind, dass einzelne ihrer jeweiligen Fokussierungsbereiche räumlich überlappen. Es können dann Absorbereinrichtungen eingespart werden, weil dann nur noch eine Absorbereinrichtung für die mehreren überlappenden Fokussierungsbereiche erforderlich ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Kollektors und der Kollektoranordnungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Beschreibung sind insgesamt acht Figuren beigefügt, wobei
Figur 1 einen Kollektor gemäß der Erfindung;
Figur 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Konstruktion des Kollektors;
Figur 3 eine Kollektoranordnung;
Figur 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Konstruktion der Kollektoranordnung;
Figur 5 eine erste Variante der Kollektoranordnung;
Figur 6 eine zweite Variante der Kollektoranordnung;
Figur 7 die Kollektoranordnung eingebaut in ein Gestell; und
Figur 8 einen konzentrierenden Kollektor gemäß dem Stand der Technik
Figur 9 ein mehrfach wirkender Facettenreflektor mit Sekundärreflektoren
Figur 10 ein mehrfach wirkender Facettenkollektor mit Gehäuse und Rechteck- Absorberrohren sowie mit Wärmeisolierung und ebener Glasabdeckung der Absorberfläche zeigt.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird nachfolgend in Form von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die genannten Figuren 1 bis 7 sowie 9 und 10 detailliert beschrieben. In allen Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. In allen Figuren wird stets vorausgesetzt, dass Strahlung, insbesondere Sonnenstrahlung, vorzugsweise vertikal von oben auf die in den Figuren gezeigten Kollektoren einfällt; zur Vereinfachung der Darstellung ist diese einfallende Strahlung jeweils nicht gezeigt.
Figur 1 zeigt ein Beispiel für den Kollektor 100 gemäß der Erfindung. Er dient zur Gewinnung von Wärme aus einfallender Sonneneinstrahlung. Er umfasst eine Reflektoreneinrichtung 110 mit einer Vielzahl von Facettenelementen 110-I-i und 110-II-n, wobei i, n jeweils eine natürliche Zahl repräsentieren. Erfindungsgemäß sind die einzelnen Facettenelemente bei der Reflektoreinrichtung 110 winkelig zueinander angeordnet, so dass sich das in Figur 1 gezeigte Zickzack- beziehungsweise fächerförmige Profil 116 für die Reflektoreinrichtung ergibt. Zur Vereinfachung der weiteren Ausführungen werden die Facettenelemente in eine erste Gruppe I in eine zweite Gruppe II eingeteilt, wobei die Elemente der ersten Gruppe in Figur 1 von links unten nach rechts oben und die Facettenelemente der Gruppe II von links oben nach rechts unten verlaufen. Grundsätzlich kann der Winkel a zwischen den Tangenten zweier benachbarter Facettenelemente in deren Berührungspunkt in einem Winkelbereich < 180° liegen und für die einzelnen Berührungspunkte jeweils unterschiedlich sein. Erfindungsgemäß ist zumindest eine Gruppe von Facettenelementen stets mit einer reflektierenden Oberfläche versehen und innerhalb der Reflektoreneinrichtung jeweils so gegenüber der einfallenden Strahlung angestellt, dass sie die einfallenden Sonnenstrahlen in einen ersten, der ersten Gruppe von Facettenelementen zugeordneten ersten Fokussierungsbereich 130-1, reflektieren. Wie in Figur 1 zu erkennen ist, haben die einzelnen Facettenelemente jeweils einen unterschiedlichen Abstand zu dem ihnen gemeinsam zugeordneten ersten Fokussierungsbereich 130-1 und reflektieren deshalb die einfallenden Sonnenstrahlen jeweils mit unterschiedlichen Fokallängen in diesen ersten Fokussierungsbereich. Der Kollektor 100 weist in dem ersten Fokussierungsbereich 130-1 eine erste Absorbereinrichtung 120-1 auf, welche von der reflektierenden Strahlung erwärmt wird und ausgebildet ist, die absorbierte Wärme an eine Wärmeverbraucherstelle, zum Beispiel ein thermisches Kraftwerk, eine Heizung oder einen Prozess abzuführen.
Zu diesem Zweck ist die Absorbereinrichtung 120-1 typischerweise in Form eines Strömungskanals ausgebildet, in welchem ein Wärmeträger, zum Beispiel Thermoöl, fließt, um die Wärme zu der Verbraucherstelle abzuführen. Der Strömungskanal kann grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt haben, wobei sich jedoch Strömungskanäle mit rechteckigem oder dreieckigem Querschnitt aufgrund ihrer gegenüber Strömungskanälen mit rundem Querschnitt größeren Absorberfläche und damit einhergehendem größeren Wirkungsgrad bewährt haben. Dieser mögliche Aufbau der Absorbereinrichtung 120-1 ist in Figur 1 nicht gezeigt. In Figur 1 ist eine erste Variante des Kollektors 100 gezeigt. Diese erste Variante besteht darin, dass nicht nur die Facettenelemente 110-I-i der ersten Gruppe, sondern auch die Facettenelemente 110-II-n einer zweiten Gruppe II aus der Vielzahl von Facettenelementen der Reflektoreinrichtung 110 mit einer erflektierenden Oberfläche ausgestattet sind. Die Facettenelemente der zweiten Gruppe sind weiterhin innerhalb der Reflektoreinrichtung so ausgerichtet, dass sie die auf sie einfallenden Sonnenstrahlen auf einen zweiten Fokussierungsbereich 130-2 der Reflektoreinrichtung 110 fokussieren. Somit verfügt die in
Figur 1 gezeigte Reflektoreinrichtung über zwei Fokussierungsbereiche 130-1 und 130-2. Auch dem zweiten Fokussierungsbereich 130-2 ist eine zweite Absorbereinrichtung 120-2 zum zusätzlichen Absorbieren der von den Facettenelementen der zweiten Gruppe II reflektierten Strahlung zugeordnet; der Kollektor ist deshalb doppelt wirksam.
Wie weiterhin in Figur 1 zu erkennen ist, beschränken sich die Facettenelemente 110-I-i und 110-II-n auf einen Bereich B. Außerhalb dieses Bereiches B weist die Reflektoreinrichtung 110 vorzugsweise ein homogenes parabolisches Profil 118 auf, welches so ausgerichtet ist, dass es die jeweils einfallende Strahlung ebenfalls in einen der beiden Fokussierungsbereiche 130-1 oder 130-2 fokussiert.
Vorzugsweise sind die mit reflektierender Oberfläche ausgestatteten Facettenelemente 110-I-i und 110-II-n in ihrem Querschnitt parabolisch profiliert, um eine möglichst gute Konzentration beziehungsweise Fokussierung der auf sie einfallenden Sonnenstrahlen in den ersten oder zweiten Fokussierungsbereich 130-1 130-2 zu realisieren; siehe Figur 2. Wenn jedoch die Breite der einzelnen Facettenelemente gegenüber der Gesamtbreite der Reflektoreinrichtung 110 einen sehr kleinen Wert annimmt, dann kann die Ausbildung beziehungsweise Herstellung der Facettenelemente 110-I-n, 110-II-n dahingehend vereinfacht werden, dass die Facettenelemente in ihrem Profil nicht parabolisch, sondern mit einer ebenen Oberfläche ausgebildet sind. Die Fokussierung erfolgt dann etwas ungenauer beziehungsweise unschärfer als bei einer parabolischen Ausbildung der Facettenelemente und bildet dann keine Linie, sondern ein schmales Band der reflektierten Solarstrahlung auf den Absorbereinrichtungen 120-1, 120-2 ab. Um sicher zu stellen, dass das abgebildete Band der Solarstrahlung nicht zu breit ist und der Wirkungsgrad der Kollektors nicht zu schlecht wird, sollte in diesem Fall die Breite der Facettenelemente kleiner als der Durchmesser des Strömungskanals der Absorbereinrichtung sein.
Wie in Figur 1 zu erkennen ist, ist die Reflektoreinrichtung 110 im Wesentlichen in einer Ebene ausgerichtet. Im Unterschied zu Parabolrinnenkollektoren, zeichnet sie sich deshalb durch eine geringe Gesamthöhe und ein daraus resultierendes geringes Einbauvolumen aus.
Aufgrund der zickzackförmigen Facettierung ist die in Figur 1 gezeigte Reflektoreinrichtung 110 besonders stabil gegen einwirkende Verformungskräfte, ohne dass sie durch zusätzliche aufwendige und kostenintensive konstruktive Maßnahmen abgestützt, beziehungsweise stabilisiert werden müsste. Sie kann sehr effizient, mithilfe von Metallpressen, wenn diese mit entsprechenden Prägestempeln ausgestattet sind, in hohen Stückzahlen zu sehr geringen Verarbeitungskosten bei gleichzeitig hoher Fertigungsgenauigkeit produziert werden.
Die in Figur 1 gezeigte Reflektoreinrichtung ist vorzugsweise lang gestreckt entlang einer Längsachse ausgebildet. Parallel zu dieser Längsachse, in Figur 1 senkrecht zu der Zeichenebene verlaufend aber nicht gezeigt, verlaufen dann die idealerweise als Fokussierungslinien ausgebildeten Fokussierbereiche 130-1, 130-2, die rohrförmig ausgebildeten Strömungskanäle der ersten und zweiten Absorbereinrichtung 120-1, 120-2 sowie die in Form von Bahnen ausgebildeten Facettenelemente 110-I-i, 110-II-n.
Figur 3 zeigt eine Kollektoranordnung, bei der zwei Kollektoren gemäß Figur 1 über einen parabolischen Reflektorabschnitt P miteinander verbunden sind. Der Aufbau und die Funktionsweise der Reflektoranordnung entsprechen im Wesentlichen dem oben unter Bezugnahme auf Figur 1 beschriebenen Aufbau und der Funktionsweise eines einzelnen Kollektors 100. Als Besonderheit bei der Kollektoranordnung 200 gemäß Figur 3 ist lediglich festzustellen, dass die beiden beteiligten Kollektoren 100-1 und 100-11 so miteinander verbinden sind, dass ein Fokussierungsbereich des ersten Kollektors 100-1 mit einem Fokussierungsbereich des zweiten Kollektors 100-11 überlappt. Dies hat den Vorteil, dass zur Absorbierung der Wärme im überlappenden Fokussierungsbereich 130 lediglich nur noch eine Absorbereinrichtung 120 erforderlich ist. Diese wird dann besonders stark erwärmt und dient deshalb zur Absorbierung von Hochtemperaturwärme.
Die in Figur 3 gezeigte Kollektoranordnung 200 kann entweder langgestreckt in die Zeichenebene hinein oder kreisförmig ausgebildet sein. In dem erstgenannten Fall repräsentiert der Fokussierungsbereich eine Fokussierungslinie, beziehungsweise eine Fokussierungsachse, während er bei letztgenanntem Fall kugel- beziehungsweise punktförmig wäre.
Figur 4 veranschaulicht, ähnlich wie Figur 2, die Konstruktion der Reflektoreinrichtung 110 gemäß Figur 3 bei parabolförmiger Ausgestaltung des Querschnitts der Facettenelemente.
Figur 5 zeigt im Wesentlichen die aus Figur 3 bekannte Reflektoreinrichtung 110, allerdings gemäß einer ersten Variante, welche vorsieht, dass die in Figur 3 nicht zur Wärmeabsorption genutzten Facettenelemente der zweiten Gruppe π, nämlich die Elemente 110-II-n mit n=l-3, hier zusätzlich zur Wärmegewinnung genutzt werden. Dies geschieht bei der in Figur 5 gezeigten Ausgestaltung in der Weise, dass die Facettenelemente 110-II-n auf ihrer der einfallenden Strahlung zugewandten Oberseite O wärmeabsorbierend ausgebildet sind, vorzugsweise dort eine wärmeabsorbierende Schicht aufweisen. Gleichzeitig besitzen sie an ihrer der einfallenden Strahlung abgewandten Unterseite U eine Facettenelement- Absorbereinrichtung 140 zum Abtransport der insbesondere an ihrer Oberseite O absorbierten Wärme. Die Facettenelement- Absorbereinrichtung 140 ist vorzugsweise analog aufgebaut wie die erste und zweite Absorbereinrichtung, erforderlichenfalls jedoch wesentlich kleiner, denn zumindest ihre einzelnen Strömungskanäle müssen auf den Unterseiten U der Facettenelemente 110-II-n Platz finden. Sie Strömungskanäle unter den einzelnen Facettenelementen sind vorzugsweise miteinander verbunden und bilden zusammen die Facettenelement-Absorbereinrichtung 140. Diese wird typischerweise nicht so stark aufgeheizt, wie die erste oder zweite Absorbereinrichtung 120-1,120-2 und dient deshalb im Unterschied zu der ersten und zweiten Absorbereinrichtung zur Gewinnung von Niedertemperaturwärme.
Figur 6 zeigt eine zweite Variante der Kollektoranordnung 200 gemäß Figur 3, auch hier fokussieren die Fokussierungselemente 110-I-i, die die einfallende Strahlung in den ersten Fokussierungsbereich 130-1; dies ist in Figur 6 durch die beiden dünnen durchgezogenen Linien angedeutet, welche vom rechten beziehungsweise linken Rand der Reflektoreinrichtung 110 jeweils zu dem ersten Fokussierungsbereich 130-1 gezogen sind. Im Unterschied zu der ersten Variante gemäß Figur 5, sind hier die Facettenelemente der zweiten Gruppe II nicht mit einer absorbierenden, sondern stattdessen mit einer reflektierenden Schicht auf ihrer Oberseite ausgebildet. Sie reflektieren deshalb die auf sie einfallenden Strahlen zunächst in den rechten und linken Randbereich der Kollektoranordnung 200. Gemäß der zweiten Variante treffen die reflektierenden Strahlen dort auf Nebenreflektoren 112, 114, um von diesen ebenfalls in den ersten Fokussierungsbereich 130-1 der Kollektoranordnung 200 reflektiert beziehungsweise umgelenkt zu werden. Bei kreisförmiger Ausgestaltung der Kollektoranordnung können die beiden Nebenreflektoren 112, 114 einstückig in Form eines umlaufenden Ringes ausgebildet sein. Aufgrund der durch die Nebenreflektoren 112, 114 bewirkten Umlenkung erfolgt eine verstärkte Aufheizung der in dem ersten Fokussierungsbereich 130-1 befindlichen ersten Absorbereinrichtung 120.
Figur 7 zeigt die erfindungsmäßige Kollektoranordnung 200 eingebaut in ein geeignetes Gestell 210. Das Gestell 210 dient zur Aufnahme von beispielsweise zwei Kollektoren 100-1 und 100-11, die jeweils entsprechend dem oben unter Bezugnahme auf Figur 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgeführt sind. Die einzelnen Bestandteile der Kollektoren 100-1, 100-11, das heißt ihre jeweiligen Reflektorein- richtungen 110-1, 110-11 und ihre Absorbereinrichtungen 120-1...-3 sind jeweils innerhalb des Gestells fixiert und im Hinblick auf die optimale Wärmeabsorption geeignet zueinander angeordnet. Insbesondere ist festzustellen, dass in der Mitte des Gestells zwei Fokussierungsbereiche von den beiden Kollektoren 100-1 und 100-11 in dem zentralen Fokussierungsbereich 130-1 überlappen. In allen Fokussierungs- bereichen 130-1...-3 ist jeweils eine geeignete Absorbereinrichtung 120-1...-3 vorgesehen. Oberhalb der Kollektoren 100-1, 100-11 können vorzugsweise senkrecht zu der Ebene, in der sich ihre jeweiligen Reflektoreinrichtungen 110-1, 110-11 erstrecken, jeweils doppelseitig wirkende Reflektoren 180-1, 180-2 angebracht sein zum Reflektieren der von den Reflektoreinrichtungen 100-1, 110-11 reflektierten Strahlung in einen der drei Fokussierungsbereiche 130-1...-3. Das Gehäuse 210 kann entsprechend der Ausführung der Kollektoranordnung kreisförmig oder langgestreckt ausgebildet sein. Vorzugsweise ist es durch eine geeignet zugeschnittene Glasabdeckung abgedeckt. Die Glasabdeckung erhöht zum einen vorteilhafterweise die Wärmeentwicklung innerhalb des Gehäuses und ist zum anderen insbesondere gegenüber den facettierten Reflektoreinrichtungen 110-1 und 110-11 leichter sauber zu halten, wodurch ein hoher Wirkungsgrad einfach aufrecht erhalten werden kann.
Figur 9 zeigt einen doppelt wirkenden Facettenreflektor/-kollektor, der die gesamte Räche der Struktur nutzt, um die Solarstrahlung zu einem Strahlenbündel (195) zu fokussieren. Dazu werden die nicht auf den Primärfokus (130-0) ausgerichteten Streifen des Primärprofils (190-0) des Reflektors/Kollektors ebenfalls mit einem Parabelprofil versehen und so angeordnet, dass sie die auf sie einfallenden Strahlen auf mindestens eine außerhalb des Kollektors befindliche Sekundärfokusachse reflektieren. An den beiden Längsseiten des Kollektors befinden sich Sekundärreflektoren, die entsprechend den Sekundärparabolprofilen (190-1, 190-2), an denen die auf sie auftreffende Strahlung auf das Absorberrohr des (Nachbar-)Kollektors reflektiert wird. Die an den Längsseiten des Kollektors befindlichen Seitenwände bestehen deshalb aus einem reflektionsarmen Material.
Bei der Anordnung von Figur 10 lässt sich die Befestigungsvorrichtung der Absorberrohre an den Kollektor in vorteilhafter Weise in eine stabile, kastenförmige Gesamtkonstruktion des Kollektors kostengünstig integrieren. Die Absorberrohre können als runde Rohre, als Rechteck- oder als Dreieckrohre mit einer größeren, ebenen Absorberfläche ausgeführt und auf den Oberflächenabschnitten, die nicht der auftreffenden Strahlung ausgesetzt sind, mit einer Wärmedämmung ausgestattet werden. Eine Glasabdeckung kann als ebene, langgestreckte Glasscheibe ausgeführt werden. Diese Anordnung ermöglicht es auch eine Nachführung des Kollektors entsprechend dem Sonnenstand zur Erhöhung des Solarertrages vorzunehmen.

Claims

Claims
Kollektor (100) zur Gewinnung von Wärme aus einfallender, vorzugsweise solarer, Strahlung, umfassend: eine Reflektoreinrichtung (110) zum Reflektieren der einfallenden Strahlung auf mindestens einen ersten Fokussierungsbereich (130-1) der Reflektoreinrichtung; und eine in dem ersten Fokussierungsbereich angeordnete erste Absorbereinrichtung (120), welche von der reflektierten Strahlung erwärmt wird und ausgebildet ist die Wärme abzutransportieren; dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoreinrichtung (110) eine Vielzahl von Facettenelementen (110-I-i; 110-II-n) umfasst, welche winkelig so zueinander angeordnet sind, dass die Reflektoreinrichtung (110) ein zickzackförmiges Profil (116) aufweist; und die Facettenelemente (110-I-i) einer ersten Gruppe (I) aus der Vielzahl jeweils eine reflektierende Oberfläche aufweisen und so angeordnet sind, dass sie die auf ihre reflektierenden Oberflächen einfallende Strahlung jeweils über unterschiedliche Fokallängen in den gemeinsamen ersten Fokussierungsbereich (130-1) der Reflektoreinrichtung (110) reflektieren. Kollektor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Facettenelemente (110-II-n) einer zweiten Gruppe (II) aus der Vielzahl jeweils eine der einfallenden Strahlung zugewandte wärmeabsorbierend ausgebildete Oberseite (O) aufweisen und an ihrer der einfallenden Strahlung abgewandten Unterseite (U) eine Facettenelement- Absorbereinrichtung (140) aufweisen zum Abtransport der insbesondere an ihrer Oberseite (O) absorbierten Wärme. Kollektor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Facettenelemente (110-II-n) einer zweiten Gruppe (II) jeweils eine der einfallenden Strahlung zugewandte reflektierende Oberfläche aufweisen und so in der Reflektoreinrichtung angeordnet sind, dass sie die auf ihre reflektierenden Oberflächen einfallende Strahlung über jeweils unterschiedliche Fokallängen in einen gemeinsamen zweiten Fokussierungsbereich (130-2) der Reflektoreinrichtung (110) reflektieren.
Kollektor (100) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine in dem zweiten Fokussierungsbereich angeordnete zweite Absorbereinrichtung (122, 124) zum Abtransportieren der dort angesammelten Wärme. Kollektor (100) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine in dem Strahlengang der von den Facettenelementen der zweiten Gruppe (II) reflektierten Strahlung angeordnete Nebenreflektoreinrichtung (112, 114) zum Umlenken der reflektierten Strahlung vorzugsweise in den ersten Fokussierungsbereich (130-1). Kollektor (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere die reflektierenden Oberflächen der Facettenelemente (110-I-i, 110-II-n, 110-III-k) zumindest teilweise parabolisch oder eben profiliert sind.
Kollektor (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoreinrichtung außerhalb des durch die Vielzahl von Facettenelementen gebildeten facettierten Bereiches ein parabolisches Profil (118) aufweist.
Kollektor (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste die zweite und/oder die Facettenelement-Absorbereinrichtung (120-1,120-2, 120-3, 140) jeweils einen Strömungskanal, vorzugsweise in Form eines Rohres, aufweisen, in welchem ein Wärmeträger strömt zum Aufnehmen und Abtransportieren der aus der Energie der Strahlung gewonnenen Wärme.
Kollektor (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoreinrichtung (110) mit den Facettenelementen (110-I-i, 110-II-n, 110-ffl-k) sich in einer Ebene erstreckend ausgebildet ist. Kollektor (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoreinrichtung (110) kreisförmig mit den einzelnen Facettenelementen (110-I-i, 110-II-n) in Form konzentrischer kegels- tumpfartiger Ringe ausgebildet ist, so dass der erste Fokussierungsbereich im Wesentlichen punktförmig ausgebildet ist.
Kollektor (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal der Facettenelement- Absorbereinrichtung (140) und/oder der ersten und zweiten Absorbereinrichtung (122, 124) zumindest im Wesentlichen ringförmig und konzentrisch mit der Reflektoreinrichtung (110) ausgebildet ist. Kollektor (100) nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoreinrichtung langgestreckt entlang einer Längsachse mit den einzelnen Facettenelementen jeweils in Form von Bahnen parallel zu der Längsachse ausgebildet ist, so dass der erste und/oder zweite Fokussierungsbereich jeweils eine Fokussierungsachse repräsentieren.
Kollektor (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal der Absorbereinrichtung (120), der Facette nelement- Absorbereinrichtung (140) und/oder der Nebenabsorbereinrichtung (122, 124) langgestreckt parallel zu der Längsachse der Reflektoreinrichtung ausgebildet ist. Kollektor (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoreinrichtung (110) mit den Facettenelementen (110-I-i, 110-π-n, HO-IH-k) aus Metallblech, z.B. Aluminium, gebildet, vorzugsweise gepresst, ist. Kollektor (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor (100) ein Gestell aufweist, in welchem die Reflektoreinrichtung (110) vorzugsweise zusammen mit der mindestens ersten Absorbereinrichtung (120) und der zweiten Absorbereinrichtung (122, 124) oder der Nebenreflektoreinrichtung (112, 114) eingebaut, vorzugsweise aufgehangen ist.
Kollektoranordnung (200) mit einer Mehrzahl von Kollektoren (100) dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Kollektoren (100) jeweils nach einem der Ansprüche 1-15 ausgebildet ist.
Kollektoranordnung (200) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere benachbarte Kollektoren (100) zumindest teilweise so angeordnet sind, dass einzelne ihrer jeweiligen Fokussierungsbereiche (130-1) räumlich überlappen.
Kollektoranordnung (200) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Kollektoren (100) über einen vorzugsweise parabolförmigen Reflektorabschnitt miteinander verbunden sind. Kollektoranordnung (200) nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch ein Gestell, in welchem die einzelnen Kollektoren gehalten, inbesondere aufgehangen sind.
Reflektoranordnung (Figur 9) dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Reflektorfläche genutzt wird, um einfallende Solarstrahlung auf einen Primärabsorber und mindestens einen Sekundärabsorber zu reflektieren, der auch Primärabsorber des benachbarten Primärreflektors sein kann. Reflektoranordnung (Figur 10) dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Reflektorfläche genutzt wird, um einfallende Solarstrahlung auf seitlich liegende Primärabsorber zu reflektieren.
Kollektorkonstruktion (Figur 10) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Reflektor in einem Gestell befindet, an dessen Längsseiten die Primärreflektoren befestigt sind mit einer Glasabdeckung versehen werden können.
Kollektorkonstruktion (Figur 10) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass diese Konstruktion dem Sonnenstand mindestens einachsig nachgeführt werden kann, um den Solarertrag zu erhöhen.
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