WO2009071222A2 - System zur solarenergienutzung mit vorrichtung zur wärmeabgabe an die umgebung, verfahren zum betreiben des systems sowie verwendung - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a system for solar energy use with a device for dissipating heat to the environment, a method for operating the system and possible uses of the system.
  • the system is characterized in particular by the fact that it can be used during the day to generate thermal and / or electrical energy from solar radiation and serves at night for cooling a heat carrier.
  • Thermally driven processes for cooling on the basis of absorption or adsorption processes have been known for many years.
  • the drive heat for these processes can be made available for example by thermal solar collectors, one then speaks of "solar cooling” or "solar These systems are in competition with conventional cooling systems, ie today mainly electrically operated compression refrigerating machines Under current market conditions, a cooling system that derives a large part of its thermal energy from solar thermal energy is usually associated with higher cooling costs than a comparable conventional system.
  • the above-mentioned passive cooling methods can not cover the entire refrigeration requirement of a building, so that an active cooling or air conditioning system is still required, which can then be dimensioned smaller.
  • Concentrating solar collectors are used for solar thermal power plants to concentrate the sunlight onto a relatively small absorber surface in order to achieve high absorber temperatures. In this way, directly generated in a flow-through absorber tube steam for the operation of a steam turbine.
  • the most common type of collector for this purpose is today the parabolic trough collector.
  • Fresnel collectors in which many mirrors mounted on the floor, which are pivotable uniaxially, focus the sunlight onto the absorber permanently installed above the mirror field. For the absorber and the structure of the mirror field are currently various approaches in the development stage.
  • CLFR technology Compact Linear Fresnel Reflector
  • cooling water is not available in many sparsely populated regions of the world with high levels of solar radiation, which would therefore be well suited as locations for solar power plants due to the availability of available space and the irradiation conditions.
  • At least one concentrating reflector having on the surface at least one reflective element for focusing the incident solar radiation, wherein at least one reflector is rotatably mounted about at least one axis,
  • the heat exchange with the environment preferably takes place via at least one surface of the at least one heat exchange element.
  • Concentrating solar collectors are usually made up of multiple (single) reflectors that focus the incident sunlight onto the absorber. These reflectors offer for the task of dissipating heat to the environment the advantage that the primary mirror (reflective elements applied to the surface of the reflectors) need not be thermally insulated, since the conversion of the solar radiation into heat takes place only on the surface of the absorber, which has its own thermal insulation. Thus, the surface of the reflectors, in particular the back of the support structure of the reflectors, is available for heat exchange with the environment.
  • the at least one heat exchange element has a near infrared emissivity, i. in a wavelength range of about 5 to 15 ⁇ m, of at least 0.85, preferably 0.94, particularly preferably 0.98.
  • the heat exchange principle can be any physical heat exchange principle.
  • air-water heat exchangers are conceivable.
  • a heat exchanger is used, which can be brought into radiation heat exchange with the environment, especially the night sky.
  • a heat exchange element can be used for this purpose, as described by M.G. Meir et al. (Solar Energy, Vol. 73, No. 6, pp. 403-417, 2002).
  • the dimension of the heat exchange element with respect to the aperture area of the solar collector is as large as possible.
  • the surface of the at least one heat exchange element with respect to the aperture surface of the at least one reflector at least 20%, but may be arbitrarily larger and exceed the aperture area of the reflector or of the solar collector.
  • the support structure of the reflectors can be provided with fluid-carrying tubes, channels, lamellae, panels and / or rollbond laminations, which make it possible to adjust the surface of the reflectors or their rear side and the back surface Use support structure as a heat exchanger surface.
  • the individual reflectors are constructed in such a way that below the reflective layer they offer the possibility of flowing through with a heat transfer fluid. There should be a close thermal contact between the entire back surface of the reflector and the heat transfer fluid.
  • the heat transfer resistance between the heat transfer fluid and the surface used as the heat exchanger should be as low as possible, so that a close thermal contact of the first heat carrier is ensured with the heat exchange element.
  • the reflector contains a rollbond metal sheet in which the fluid channels protrude only on the rear side, ie on the side facing away from the reflective element, of the metal sheet (so-called "one side flat” design)
  • the arrangement of the fluid channels on the back of the sheet can be selected so that both a large-area flow through the sheet and a high mechanical rigidity are achieved
  • Rollbond sheet metal through whose channels the heat transfer fluid flows, pipes for the heat transfer fluid can be used, which are to be connected in a suitable manner with good thermal conductivity with the support structure of the reflectors. All connection techniques known from the art of thermal solar collectors can be used.
  • the means for passing a first heat carrier are arranged on the surface and / or in the interior of the at least one heat exchange element.
  • the solar collector is a Fresnel collector with mirror rows located near the bottom (reflectors). These reflectors must be rotatably mounted in order to ensure focusing of the reflected radiation on the permanently installed absorber tube when the position of the sun is changing. With sufficiently high storage of the axis of rotation above the ground, it is thus possible without great additional design effort to turn the mirror elements at night, so that their underside faces the sky.
  • the mirror elements are tracked via a worm gear. All mirror elements that focus their radiation onto the same absorber tube can be controlled via the same drive shaft (on which the screws are seated), since all mirrors only have to be moved synchronously.
  • the mirrors at night are rotated about this wave in a position so that the IR-emitting back of the mirror sees the coldest part of the sky.
  • the reflectors are thus, depending on the arrangement within the Fresnel Collector rotated by an angle between 100 ° and 260 °.
  • the reflector is constructed as a lightweight sandwich.
  • a reduced weight of the mirror element can be achieved, whereby the specific effort (per m 2 reflector surface) for the mechanical suspension or the rotating mechanism is reduced.
  • the sandwich construction gives the mirror element an increased rigidity, which is necessary in order to keep the deformation so low even under wind load, in order to ensure the desired radiation focusing on the absorber or secondary mirror. If the mirror element is designed as a lightweight sandwich, the primary mirror-the reflective element-is located on the (usually concavely curved) upper position of the sandwich or adjoins it.
  • lightweight structures such as honeycomb, a metal or ceramic foam or glued together hollow spheres, which are introduced in particular according to the method described in WO 2005/000502 Al (constructed of metal foam building blocks and method for its preparation) can.
  • honeycomb a metal or ceramic foam or glued together hollow spheres
  • Sandwiches are the flow-through fluid channels and the lower cover layer of the sandwich, wherein the lower cover layer can also be given by a Rollbond sheet containing the fluid channels.
  • the RoIl bond sheet serving as a lower cover layer may be deformed in the areas between the fluid channels in such a way that additional cavities are created with respect to the upper cover layer which can be filled with the lightweight structure and thus provide additional mechanical stabilization
  • Mirror element in particular improvement of the door sion stiffness.
  • sandwich elements whose core is formed by a foaming or pouring process (last with subsequent gluing or sintering of the bulk particles) in such a way that the cavity between the two cover plates is completely filled and thus also the channels contained in the lower cover plate in a single operation be surrounded by the core material.
  • foaming process it is possible, for example, to use a cast ceramic which is cold or at low temperatures and in which the temperature required for curing is significantly lower than the melting or softening temperature of the material of the cover plates.
  • the foaming or sintering process creates a material bond between the core and cover material (bonding / chemical reaction).
  • the interlocking parts can be joined together in a second operation (eg by gluing).
  • the channels are created first after foaming, but before the foam has set, ie they are pressed into the foam which can still be shaped during the inflation process.
  • the reflectors for solar thermal power plants should have a longest possible lifetime high optical efficiency (ie reflect the largest possible proportion of radiation in a particular angle element) and should be possible to produce as inexpensively. To meet these requirements, there is still a great deal of research to be done, as reported in a review by Kennedy and Terwilliger (CE Kennedy and K. Terwilliger, Optical Durability of Candidate Solar Reflectors, Journal of Solar Energy Engineering 127, pp. 262-269, May 2005).
  • Glass-free mirrors appear to be particularly promising, in which a substrate is coated with suitable reflection and protective layers (eg ;
  • Weight can be made, for this technology, the use of Rollbond sheets as a support structure (and possibly at the same time as a substrate for the mirror layers) is particularly preferred.
  • the hydraulic connection for the fluid flowing through the mirror elements is carried out in such a way that the rotatability of the reflector is not impaired by at least 120 °, preferably at least 180 °, particularly preferably at least 270 °.
  • this connection is to be carried out in the vicinity of the axis of rotation, since then only a short piece of flexible hose is needed.
  • it will be useful under typical operating conditions to flow many mirror elements in parallel, e.g. Several mirror elements, which are mounted on the same axis of rotation, can be flowed in parallel.
  • a collecting channel is required for the supply and return, which can either be laid on the ground or can be integrated in a suitable manner in the support structure of the mirror elements.
  • the surface radiating during the radiation cooling is not penetrated by the rear side of the primary surface.
  • Mirror given but is located separately from it below the primary mirror (eg on the ground).
  • this variant can have cost advantages.
  • the surface radiating at night can be designed as a mat lying on the floor in the manner of a swimming pool absorber.
  • the above arranged primary mirror go in this variant at night in a vertical position, so that the radiating surface is aligned at the largest possible angle against the night sky.
  • a constructive advantage of this variant is that no hydraulic connections rotatable about the mirror axis are required.
  • heat exchange elements are at least partially mounted on the back of the reflectors and additionally below the reflectors, e.g. between the mirror rows of a Fresnel collector.
  • the reflector is formed from a parabolic trough collector.
  • the heat exchanger surface for the nightly radiation cooling can be arranged on the rear side of the parabolic troughs.
  • the surface normal to the sky ie, above the horizon
  • the surface normal to the sky ie, above the horizon
  • the solar collector according to the invention which is operated at night in the mode of radiation cooling, it makes sense to load during the night a cold storage or to regenerate.
  • this should be a well stratified memory, eg a stratified storage tank, a reservoir with phase change material and / or combinations thereof, preferably a water stratified storage tank.
  • the storage is preferably taken from the warmest point (ie the uppermost layer), for example, water, which is cooled after passing through the IR-emitting surfaces of the collector cooled by a layer loading system again in the memory without destroying the temperature stratification of the memory ,
  • the cold water of the storage tank cools either the condenser or a building during the day.
  • the cool storage water can be used on the one hand to cool the condenser of the thermally driven chiller, on the other hand it can (depending on the temperature level) serve directly as cold water for the building.
  • the cold storage contains a phase change material (for example, from the group of paraffins or salts) and thus can be operated largely isothermally. It It is also possible that a suspension (slurry) or an emulsion with a phase change material is used as the heat transfer fluid on the cold side, which is then pumped for heat emission through the IR emitting surfaces of the collector system.
  • a suspension (slurry) or an emulsion with a phase change material is used as the heat transfer fluid on the cold side, which is then pumped for heat emission through the IR emitting surfaces of the collector system.
  • the thermal mass of the building itself can also serve as storage (component activation, in particular concrete core activation).
  • the circuit has at least one recooler, preferably a heat exchanger, for precooling the first heat carrier.
  • pre-cooling is particularly useful when the temperature of the heat carrier to be cooled at the flow of
  • the collector according to the invention is used together with a sorption or other indirect memory.
  • Indirect memories have the property that they do not store energy and entropy together, but when they are loaded
  • High-temperature heat entropy in the form of low-temperature temperature heat is released to the environment. During discharge, low-temperature heat must then be supplied in order to obtain useful heat at a higher temperature level.
  • a sorption storage can also be used as an "indirect cold storage” in a cooling system, since useful cooling can be generated during the storage discharge in the evaporator
  • storage and chiller use the same working fluid (eg water for zeolite as a sorptiorizer in storage and AlPO (aluminophosphate), SAPO (silico-aluminophosphate) or silica gel as sorbent in the chiller), this way, the storage tank and chiller can be integrated into one overall system and use a common evaporator.
  • a sorption In order to be useful as a buffer in a system for solar cooling, a sorption must be able to absorb the heat application of the solar collector at least over a few hours. Because concentrating solar collectors are only used from a minimum size onwards because of the expense of tracking of interest, which is typically greater than 20 m 2 collector surface, the sorption must typically be able to absorb more than 50 kWh heat. For storage of this size come from economic considerations only very inexpensive sorbent materials into consideration. The adsorption properties of the material should also be adapted to the achievable by the concentrating solar collector with good efficiency temperature level.
  • zeolites with structure type LTA zeolites A and Alpha, in particular hydrothermally stable with divalent cations excluded exchanged forms as Naca-A
  • structure type FAU zeolites A and Alpha, in particular hydrothermally stable with divalent cations excluded exchanged forms as Naca-A
  • a storage reservoir is understood to mean any store having a solid or liquid sorbent.
  • the IR-emitting heat exchange surface according to the invention is preferably used to deliver at least part of the condensation heat of the sorption storage to the environment during the night. Since the solar collector does not provide heat at night, is in addition either a heat storage on a for loading the
  • Sorptions Before Setting Up, External heat source necessary.
  • a preferred external heat source is a combined heat and power plant (CHP), which provides waste heat at a suitable temperature level.
  • CHP combined heat and power plant
  • this may be a cogeneration plant with gasoline or diesel engine, a Stirling engine or more preferably a plant whose entire waste heat is present on a usable for desorption of the memory temperature level, such as a Mikrogastur- bine (typical exhaust gas temperature 270 0 C) or a High-temperature fuel cell.
  • the IR-emitting surface of the collector system has the advantage that it can be used to reduce the condensation temperature of the Sorptions Itemss at night and thus depending on the choice of sorbent a further desorption (greater drying) of the sorbent material to achieve and thus increase the storage density.
  • the modified Fresnel collector described as a preferred embodiment of this invention offers further advantages
  • the main purpose of the solar system is solar cooling rather than solar thermal power generation, it may be advantageous to integrate photovoltaic power generation into the system (e.g., if it is a system that is to be run in a self-sufficient manner disconnected from a grid).
  • a Fresnel collector when the secondary mirror and absorber are replaced by a PV module, it typically needs to be cooled to prevent overheating. If the flow temperature of the collector is sufficiently low, a liquid-cooled PV module can be switched directly to the beginning (flow) of a collector string. If the flow temperature of the collector for the solar cells is already too high, the PV modules can either be flowed through with water from a cold water storage (cooled down at night) or with water that is passed directly through the reflector elements during the day and cooled down there.
  • the collector according to the invention with integrated PV modules in small, decentralized units can be used to a) heat for a thermal to supply powered chiller that generates ice; b) provide heat for solar cooking and c) supply electricity, eg for a battery charging station.
  • a system represents a customized technology for the target regions, since 1. the system is at very low cost satisfies several basic needs, 2. a large part of the system can be manufactured in the destination country (support structure, mirror tracking system, possibly the mirror elements) and 3. the maintenance-prone parts of the system can be serviced by local technicians.
  • the central improvement over the prior art is that the surface of the reflectors of a concentrating solar collector by the invention has an added benefit as a heat exchanger surface.
  • a need for heat transfer to the environment exists both in solar thermal power plants (condensation heat) and in solar cooling applications, e.g. Re-cooling the waste heat of an active refrigeration system or direct cooling.
  • the collector surface can be used effectively at night, also can be exploited in typical target regions large difference between daytime and night temperature (in conjunction with a thermal storage).
  • the PV modules can be cooled by passing the heat transfer fluid heated at the PV modules through the reflector surfaces, where they cool down again.
  • the heat transfer fluid heated at the PV modules may optionally additionally be precooled.
  • the invention described here can be implemented independently of the chosen absorber technology since it requires only a modification of the primary mirror.
  • the invention also provides a method of operating such a system, wherein
  • Radiation cooling to the night sky is a particularly efficient way of dissipating heat during the night over the surface of the collector.
  • radiation power 100 W / m can be achieved at ambient temperature 2 (MG Meir et al., Solar Energy, Vol. 73, No. 6, pp. 403-417, 2002).
  • the designated and suitably coated surfaces would have to be aligned towards the sky at night.
  • a cooling of surfaces to temperatures below the ambient temperature is made possible by the fact that the radiation temperature of the cloudless night sky is often well below the ambient temperature (see eg MG Meir, JB Rekstad and OM Lowik: A study of a polymer-based radiative cooling system , Solar Energy Vol. 73, No. 6, pp. 403-417, 2002).
  • the surface In order to maximize the heat radiation of the surface, the surface should have the highest possible emissivity in the infra- have red spectral range.
  • the absorber for collector operation should have the lowest possible emissivity in this spectral range in order to minimize the heat radiation losses.
  • this conflict of objectives can be circumvented by designing the back of the reflector surface to have high emissivity in the infrared and to be aligned with the sky at night. This can be done, for example, by coloring the surface black.
  • an alignment of the heat exchange element takes place on the night sky by rotating at least one reflector, so that the side facing away from the reflective element of the reflector is at least partially facing the night sky.
  • the method according to the invention is not limited to cooling only at night.
  • effective cooling can also take place during the day.
  • Possible uses of the system are conversion of solar radiation into thermal and / or electrical energy, cooling of buildings, condensers of thermal power plants, preferably solar thermal power plants and / or photovoltaic modules and the operation of solar thermal power plants and / or adsorption and / or absorption chillers.
  • Figure 1 shows the cross section of a trained as a parabolic reflector 1, which consists of aluminum.
  • the front side as a front reflector 2 - the reflective element - is formed (for example, by the aluminum front side is highly polished and thus mirrored or provided with a reflective coating).
  • the reflector is designed in a lightweight construction, wherein the support plate of the reflector is designed as a sandwich structure 3.
  • the reflector 1 On the rear side, the reflector 1 has structures formed by roll-bond technology, which have channels 4 for the passage of a heat carrier. The supply of the channels 4 takes place through the connecting tube 5, which simultaneously acts as a suspension and axis of rotation of the reflector. The distribution of the fluid to be guided through the connecting pipe 5 and discharged into the channels 4 is explained in greater detail in FIGS. 5 and 6.
  • the connection tube can also be located on the back of the reflector and act as a suspension of the reflector 1.
  • FIG. 2 shows a reflector element 1 of a Fresnel collector.
  • the basic construction is identical to the reflector 1 shown in FIG. 1, except that the element is flat and not parabolic.
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of the element 1 from FIG. 2, which is additionally provided with a rotation axis over which the reflector 1 can be turned or tilted.
  • the axis of rotation 5 can be formed at the same time as a tube 5 for supplying or discharging the heat carrier.
  • the distribution of the heat carrier takes place from the connecting pipe 5 into the channels 4, for example as explained in FIG. 5 or 6.
  • the reflective property of the mirrored surface 2 is indicated.
  • FIG. 4 shows the rear side of the reflector 1 already described in FIG. 3, in which the heat exchange element 6 applied to the rear side is blackened on the surface.
  • the blackening can, for example, by a black paint or by coating with carbon black or similar. respectively.
  • the base material of the heat exchange element 6 is preferably a material with high thermal conductivity, for example aluminum. This ensures that the thermal energy of the liquid to be cooled conducted through the fins 4 is distributed uniformly and over the entire surface over the entire surface of the heat exchange element 6, so that, as indicated by the corrugated arrows in FIG thermal energy can take place, for example, the night sky by radiation cooling.
  • FIG. 5 shows a plan view of the rear side of the reflector 1 provided with the heat exchange element 6, from which it can be seen how the fluid is distributed into the channels 4 via the connection tubes 5.
  • the distribution of the fluid is carried out starting from the distributor tube 5, initially via a distributor channel (shown horizontally in the figure), subsequently via a plurality of parallel channels 4 and finally again via a collecting channel, also horizontally at the opposite end, back to the outlet, ie the corresponding outlet 5 ,
  • FIG. 6 in analogy to FIG. 5, an alternative distribution structure starting from a supply and discharge pipe 5 is shown in different channels.
  • the distribution takes place here according to the bionic FracTherm ® approach, which has a multi-branched structure.
  • the mode of operation and production possibilities of these distribution structures are described, for example, in EP 1 525 428.
  • FIG. 7 shows an overall view of the collector system 10 for the thermal and / or electrical use of solar energy, the collector system 10 being shown here in FIG. 7
  • the system consists of an array of a plurality of reflectors 1, which may be designed, for example, in the design, as described in one of the figures 2, 3 or 4, ie the reflectors 1 have a Front,verLiteung 2 and a réelleleyele- ment 6, through which, for example, by the fluid distribution structures 4 described in Figures 2 to 4, the fluid to be cooled is passed.
  • the reflectors 1 are rotatably mounted and can be tracked for concentrating the incident sunlight 8 in accordance varying position the sun's course.
  • the plurality of reflectors 1 causes a concentration of sunlight 8 on a pipe 7 through which a heat carrier to be heated is guided.
  • These heat exchange elements 6 can as
  • Mats be formed and each have a supply and discharge line 5 for cooling fluid and corresponding distribution structures 4 for the fluid. If reflectors 1, as described in FIGS. 2 to 4, are used in the Fresnel collectors 10 shown in FIG. 7, the night view of the heat exchanger element 6 is directed toward the night sky by the reflectors 1 be aligned with their back on the night sky. In the event that the heat exchange elements 6 are mounted on the ground, below the reflectors 1, takes place during night operation of the collector system 10, such an orientation of the reflectors 1 that in projection from above the smallest possible area of the heat exchange elements 6 is shadowed by the reflectors 1 ie preferably a vertical position or vertical orientation of the reflectors 1 with respect to the night sky.
  • FIG 8 An alternative embodiment of the collector system 10 is shown in Figure 8, in which case the reflector 1 is parabolic and corresponds to the reflector shown in Figure 1.
  • This parabolic reflector likewise carries out a concentration of the sunlight 8 on the pipeline 7, through which a fluid to be heated is guided.
  • the cooling according to the invention is carried out by aligning the back of the reflector 1 on the night sky.

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Abstract

Vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Solarenergienutzung mit einer Vorrichtung zur Wärmeabgabe an die Umgebung, ein Verfahren zum Betreiben des Systems sowie Verwendungsmöglichkeiten des Systems. Das System zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es tagsüber zur Erzeugung von thermischer und/oder elektrischer Energie aus Sonnenstrahlung genutzt werden kann und nachts zur Kühlung eines Wärmeträgers dient.

Description

System zur Solarenergienutzung mit Vorrichtung zur
Wärmeabgabe an die Umgebung, Verfahren zum Betreiben des Systems sowie Verwendung
Vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Solarenergienutzung mit einer Vorrichtung zur Wärmeabgabe an die Umgebung, ein Verfahren zum Betreiben des Systems sowie Verwendungsmöglichkeiten des Systems. Das System zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es tagsüber zur Erzeugung von thermischer und/oder elektrischer Energie aus Sonnenstrahlung genutzt werden kann und nachts zur Kühlung eines Wärmeträgers dient .
Thermisch angetriebene Verfahren zur Kälteerzeugung auf Basis von Absorptions- oder Adsorptionsprozessen sind seit vielen Jahren bekannt. Die Antriebswärme für diese Prozesse kann beispielsweise durch thermische Solarkollektoren zur Verfügung gestellt werden, man spricht dann von „solarer Kühlung" bzw. „solarer Gebäudeklimatisierung". Diese Verfahren stehen in Konkurrenz zu konventionellen Kühlverfahren, d.h. heute v.a. zu elektrisch betriebenen Kompressionskältemaschinen. Unter den derzeitigen Marktbedingungen ist ein Kühlsystem, das einen großen Teil seiner Antriebsenergie aus thermischer Solarenergie bezieht, meist mit höheren Kältegestehungskosten verbunden als ein vergleichbares konventionelles System (H. -M. Henning, (ed.) : Solar assisted Air Conditioning in Buil- dings - A Handbook for Planners. ISBN: 3211006478. Springer, Wien 2004) .
Um das Potential der solaren Kühlung zur Einsparung von fossilen Brennstoffen und Treibhausgasemissionen ausschöpfen zu können, ist es wünschenswert, die
Wirtschaftlichkeit gegenüber konventionellen Konkurrenzsystemen zu erhöhen.
Neben aktiven Verfahren zur Kälteerzeugung gibt es für die Gebäudekühlung auch passive Verfahren und solche, die nur wenig Hilfsenergie zur Zirkulation eines Kühlmediums benötigen und somit „fast passiv" genannt werden können. Dazu gehören die Nachtlüftung von Gebäuden sowie die nächtliche Kühlung von Wasser in offenen oder geschlossenen Kreisläufen mittels Wärmeabgabe an die Umgebungsluft , Verdunstungskühlung, Strahlungskühlung an den Nachthimmel oder einer Kombination dieser Effekte. Um für die Gebäudekühlung während der Tagesstunden nutzbar zu sein, benötigen alle diese Verfahren einen „Kältespeicher", also ein System mit genügend großer thermischer Masse, das nachts abgekühlt wird und tagsüber Wärme aufnimmt und dabei einen Teil der Kühllast des Gebäudes deckt. Die Speicherung kann in der thermischen Masse des Gebäu- des selbst erfolgen (wie im Fall der Nachtauskühlung durch kontrollierte Belüftung) oder z.B. in einem Kaltwasserspeicher, aus dem tagsüber Kühlwasser durch das Gebäude gepumpt wird.
Häufig können die oben genannten passiven Kühlmetho- den nicht den gesamten Kältebedarf eines Gebäudes decken, so dass weiterhin ein aktives Kühlungs- bzw. Klimatisierungssystem benötigt wird, das dann jedoch kleiner dimensioniert werden kann.
Es gibt bereits Anlagen zur solaren Kühlung, insbesondere zur Eiserzeugung (solar ice maker) , die intermittierend mit einem Tag/Nacht-Zyklus betrieben werden und den Unterschied zwischen Tages- und Nachttemperatur ausnutzen. Bei diesen Anlagen wird typi- scherweise der Adsorber in den Solarkollektor integriert (siehe M. A. Lambert and B. J. Jones: A Review of Solid-Vapor Adsorption Heat Pumps,- AIAA Report 2003-051 4, 41st Aerospace Sciences Meeting and Exhi- bit, 6-9 January 2003, Reno, Nevada, und darin zi- tierte Arbeiten, sowie E. E. Anyanwu and N. V. Ogue- ke, Thermodynamic design procedure for solid adsorp- tion solar refrigerator, Renewable Energy, Volume 30, Issue 1, January 2005, pages 81-96) . Auch bei den in diesen Anlagen zum Einsatz kommenden Kollektoren be- steht der Zielkonflikt zwischen thermischer Isolation für den Tagbetrieb und guter thermischer Kopplung an die Umgebung im Nachtbetrieb.
Für solarthermische Kraftwerke zur Stromerzeugung werden konzentrierende Solarkollektoren eingesetzt, die das Sonnenlicht auf eine relativ kleine Absorberfläche bündeln, um hohe Absorbertemperaturen zu erreichen. Auf diese Weise lässt sich in einem durchströmten Absorberrohr direkt Dampf für den Betrieb einer Dampfturbine erzeugen. Der am weitesten verbreitete Kollektortyp für diesen Einsatzzweck ist heute der Parabolrinnenkollektor . Eine viel versprechende Weiterentwicklung für denselben Einsatzzweck stellen Fresnel-Kollektoren dar, bei denen viele am Boden einachsig schwenkbar gelagerte Spiegel das Son- nenlicht auf den über dem Spiegelfeld fest installierten Absorber fokussieren. Für den Absorber und den Aufbau des Spiegelfeldes befinden sich derzeit verschiedene Ansätze im Entwicklungsstadium. In einer viel versprechenden Variante, die derzeit von der Fa. Solarmundo und ihren Entwicklungspartnern verfolgt wird (Hansjörg Lerchenmüller et al . , Abschlussbericht für BMU: Technische und wirtschaftliche Machbarkeits- Studie zu horizontalen Fresnel-Kollektoren, Fraunhofer ISE, Bericht TOS1-LERCH-0402-E1, Februar 2004), wird das von den Primärspiegeln reflektierte Licht durch einen Sekundärspiegel auf ein selektiv beschichtetes Absorberrohr fokussiert. Unterhalb des Absorberrohres befindet sich eine mit dem nach außen wärmegedämmten Sekundärspiegel dicht abschließende Glasplatte, die zur Reduzierung der thermischen Verluste des Absorberrohres beiträgt.
Bei dem Solarmundo-Fresnel-Konzept ist die auf die Kollektorfläche bezogene Effizienz zwar etwas gerin- ger als die von Parabolrinnenkollektoren, jedoch lässt sich der Fresnel-Kollektor bei wesentlich geringeren Kosten realisieren. Andere Konzepte für die Aufstellung der Primärspiegel, die v.a. in Australien verfolgt werden (siehe z.B. D. Burbridge, D. R. Mills and G. L. Morrison: Stanwell Solar Thermal Power Pro- ject, Solarpaces 10th Symposium on Solar Thermal Con- centrating Technologies, Sydney, 2000) sehen eine kompaktere Aufstellung vor, in der benachbarte Spiegelreihen das Licht auf zwei verschiedene Absorber reflektieren. Durch diese Spiegelanordnung kann der
Abstand zwischen den Spiegelreihen vermindert werden, ohne dass die Spiegel sich gegenseitig verschatten (CLFR-Technologie: Compact Linear Fresnel Reflector) .
Unabhängig davon, welche Art konzentrierender Solar- kollektoren in solarthermischen Kraftwerken zum Einsatz kommt, spielt bei der Umwandlung in Strom ein niedriges Temperaturniveau des Kondensators für den Wirkungsgrad der Dampfturbine eine entscheidende Rolle (siehe z.B. Franz Trieb, Stefan Kronshage, Volker Quaschning, Jürgen Dersch, Hansjörg Lerchenmüller, Gabriel Morin, Andreas Häberle : Endbericht BMU-Pro- jekt SOKRATES (solarthermische Kraftwerkstechnologie für den Schutz des Erdklimas), Arbeitspaket 2, 1. März 2004). Durch eine Nasskühlung des Kondensa- tors (Durchflusskühlung oder Verdampfungskühlung) können wesentlich niedrigere Kondensatortemperaturen erreicht werden als bei einer Trockenkühlung an die Umgebungsluft . Daher werden in den gegenwärtigen Planungen Standorte für solarthermische Kraftwerke prä- feriert, an denen Kühlwasser zur Verfügung steht
(z.B. an Küsten oder Flüssen) . In vielen dünn besiedelten Regionen der Erde mit hohen solaren Einstrahlungen, die also aufgrund der Flächenverfügbarkeit und der Einstrahlungsbedingungen gut als Standorte für solare Kraftwerke geeignet wären, steht jedoch kein Kühlwasser zur Verfügung.
Wenn an solchen Standorten ohne verfügbares Kühlwasser solarthermische Kraftwerke mit Trockenkühlung des Kondensators errichtet werden, wäre es sinnvoll, den Unterschied zwischen Tages- und Nachttemperatur auszunutzen durch einen Tag/Nacht-Kältespeicher , der nachts durch Wärmeabgabe an die Umgebung gekühlt wird und tagsüber im Kraftwerksbetrieb einen Teil der Kon- densationswärme aufnimmt. Bisher sind keine Solarkollektoren bekannt, die spezifische Vorteile für den Einsatz in Anlagen zur solaren Kühlung aufweisen (gegenüber anderen Anwendungen, die dasselbe Temperaturniveau des erhitzten Wär- meträgermediums erfordern) .
Somit ist es Aufgabe der Erfindung, konzentrierende thermische Solarkollektoren bereitzustellen, die zugleich zur Wärmeabgabe an die Umgebung genutzt wer- den können. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Solarkollektors anzugeben, das eine effiziente Nutzung eines derartigen Systems erlaubt.
Diese Aufgabe wird bezüglich des Solarkollektors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 30 gelöst, wobei jeweils die abhängigen Ansprüche vorteilhafte Ausführungs formen darstellen. Mit den Ansprüchen 41 bis 43 werden Verwendungsmöglichkeiten des Systems genannt .
Erfindungsgemäß wird somit ein System zur thermischen und/oder elektrischen Solarenergienutzung bereitge- stellt, das folgende Bestandteile aufweist:
a) mindestens einen konzentrierenden Reflektor, der auf der Oberfläche mindestens ein reflektives Element zur Fokussierung der einfallenden Sonnenstrahlung aufweist, wobei mindestens ein Reflektor um mindestens eine Achse drehbar gelagert ist,
b) mindestens ein Mittel zur Umwandlung von Strahlungsenergie der Sonne in thermische und/oder elektrische Energie, das sich mindestens zeitweise im Fokus der vom Reflektor reflektierten Strahlung befindet, sowie c) mindestens ein Wärmetauschelement, das mit mindestens einem Mittel zum Durchleiten eines ersten Wärmeträgers ausgestattet ist.
Bevorzugt erfolgt der Wärmetausch mit der Umgebung dabei über mindestens eine Oberfläche des mindestens einen Wärmetauschelementes.
Konzentrierende Solarkollektoren sind in der Regel aus mehreren (Einzel-) Reflektoren gebildet, die das einfallende Sonnenlicht auf den Absorber fokussieren. Diese Reflektoren bieten für die Aufgabenstellung der Wärmeabgabe an die Umgebung den Vorteil, dass die Primärspiegel (auf der Oberfläche der Reflektoren aufgebrachte reflektive Elemente) nicht thermisch i- soliert sein müssen, da die Umwandlung der Solarstrahlung in Wärme erst auf der Oberfläche des Absorbers erfolgt, der über eine eigene thermische Isolierung verfügt. Somit steht die Fläche der Reflektoren, insbesondere auch die Rückseite der Trägerkonstruktion der Reflektoren, für den Wärmeaustausch mit der Umgebung zur Verfügung.
Somit wird es ermöglicht, einen Solarkollektor, der tagsüber z.B. zum Antrieb eines aktiven Kälteerzeugungsverfahrens dient, nachts für eine Wärmeaustauscherfläche für eine (fast) passive Kühlung zu verwenden. Bisher sind keine für diesen doppelten Einsatzzweck optimierten Solarkollektoren bekannt. Bei herkömmlichen Solarkollektoren mit flüssigem Wärmeträgermedium verhindert die für eine effiziente Wärmeerzeugung notwendige thermische Isolation des Absorbers von der Umgebung eine hohe Wärmeabgabe im Nachtbetrieb. Der hier beschriebene Kollektor erlaubt somit die Konstruktion effizienterer thermisch angetriebener Kältegeräte mit Tag/Nacht-Zyklus .
Vorzugsweise weist das mindestens eine Wärmetauschelement eine Emissivität im nahen Infrarotbereich, d.h. in einem Wellenlängenbereich von etwa 5 bis 15 μm, von mindestens 0,85, bevorzugt 0,94, besonders bevorzugt 0,98 auf.
Das Wärmetauschprinzip, nach dem das Wärmetauschelement c) funktioniert, kann dabei jedes beliebige physikalische Wärmetauschprinzip sein. So sind beispielsweise auch Luft -Wasser-Wärmetauscher denkbar. Besonders bevorzugt wird jedoch bei vorliegender Erfindung ein Wärmetauscher eingesetzt, der in Strahlungswärmeaustausch mit der Umgebung, insbesondere dem Nachthimmel gebracht werden kann. Beispielsweise kann hierzu ein Wärmetauschelement verwendet werden, wie es von M. G. Meir et al. (Solar Energy, Vol. 73, No. 6, S. 403-417, 2002) beschrieben wurde. Erfindungsgemäß ist es dabei bevorzugt, wenn mehrere Wärmetauschelemente vorhanden sind, die Strahlungswärme- tauschelemente sind, d.h. auf die beschriebene Weise funktionieren.
Eine effiziente Kühlung wird dadurch ermöglicht, dass die Dimension des Wärmetauschelementes bezüglich der Aperturfläche des Solarkollektors möglichst groß ge- wählt wird. Bevorzugt beträgt die Oberfläche des mindestens einen Wärmetauschelementes bezüglich der Aperturfläche des mindestens einen Reflektors mindestens 20 %, kann jedoch beliebig größer sein und die Aperturfläche des Reflektors bzw. des der Solarkol- lektors übersteigen. Sowohl bei Fresnel-Kollektoren als auch bei Parabol- rinnen-Kollektoren kann die Trägerkonstruktion der Reflektoren mit fluidführenden Rohren, Kanälen, Lamellen, Panelen und/oder Rollbond-Blechen versehen werden, die es ermöglichen, die Oberfläche der Reflektoren bzw. deren Rückseite sowie die Trägerkonstruktion als Wärmeaustauscherfläche zu nutzen.
Die einzelnen Reflektoren sind so aufgebaut, dass sie unterhalb der reflektierenden Schicht die Möglichkeit der Durchströmung mit einem Wärmeträgerfluid bieten. Es soll ein enger thermischer Kontakt zwischen der gesamten rückseitigen Oberfläche des Reflektors und dem Wärmeträgerfluid bestehen. Der Wärmeübertragungs- widerstand zwischen dem Wärmeträgerfluid und der als Wärmeaustauscher genutzten Oberfläche sollte dabei möglichst gering sein, so dass ein enger thermischer Kontakt des ersten Wärmeträgers mit dem Wärmetauschelement gewährleistet ist.
In einer bevorzugten Realisierung enthält der Reflektor ein Rollbond-Blech, bei dem die Fluid-Kanäle nur auf der Rückseite, d.h. auf der dem reflektiven Element abgewandten Seite, des Bleches hervorstehen (sog. „one side flat" -Ausführung) . Auf der Vorderseite weist das Blech die entsprechend dem Strahlengang des Kollektors erforderliche Krümmung auf (Fig. 1) . Die Anordnung der Fluidkanäle auf der Rückseite des Bleches kann so gewählt werden, dass sowohl eine großflächige Durchströmung des Bleches als auch eine hohe mechanische Steifigkeit erreicht werden. Die Rollbond-Technik ermöglicht es also, die für die Durchströmung der Trägerstruktur der Reflektoren benötigten Fluidkanäle zugleich zur mechanischen Stabi- lisierung dieser Trägerstruktur zu nutzen. An Stelle von Rollbond-Blechen, durch deren Kanäle das Wärmeträgerfluid strömt, können auch Rohre für das Wärmeträgerfluid verwendet werden, die in geeigneter Weise gut wärmeleitend mit der Trägerstruktur der Reflektoren zu verbinden sind. Dabei können alle Verbindungstechniken zum Einsatz kommen, die aus der Technik thermischer Solarkollektoren bekannt sind.
Dabei sind die Mittel zum Durchleiten eines ersten Wärmeträgers auf der Oberfläche und/oder im Inneren des mindestens einen Wärmetauschelements angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Solarkollektor ein Fresnel-Kollektor mit in Bodennähe befindlichen Spiegelreihen (Reflektoren) . Diese Reflektoren müssen drehbar gelagert sein, um bei wechselndem Sonnenstand eine Fokussierung der reflektierten Strahlung auf das fest installierte Absorberrohr zu gewährleisten. Bei genügend hoher Lagerung der Drehachse über dem Boden ist es somit ohne großen konstruktiven Zusatzaufwand möglich, die Spiegelelemente nachts umzudrehen, so dass ihre Unterseite zum Himmel zeigt. Beim Solarmundo-Konzept für den Fresnel-Kollektor erfolgt die Nachführung der Spiegelele- mente über ein Schneckengetriebe. Alle Spiegelelemente, die ihre Strahlung auf dasselbe Absorberrohr fo- kussieren, können über dieselbe Antriebswelle (auf der die Schnecken sitzen) angesteuert werden, da alle Spiegel nur synchron bewegt werden müssen. Hier wird nun ein System vorgeschlagen, bei dem die Spiegel nachts (nach Sonnenuntergang und bis zum Sonnenaufgang) über diese Welle in eine Position gedreht werden, so dass die IR-emittierende Rückseite der Spiegel den kältesten Teil des Himmels sieht. Gegenüber der Spiegelstellung am Mittag sind die Reflektoren somit je nach Anordnung innerhalb des Fresnel- Kollektors um einen Winkel zwischen 100° und 260° gedreht .
In einer weiteren bevorzugten Realisierung ist der Reflektor als Leichtbau-Sandwich aufgebaut. Dadurch lässt sich ein verringertes Gewicht des Spiegelelementes erreichen, wodurch der spezifische Aufwand (pro m2 Reflektorfläche) für die mechanische Aufhängung bzw. den Drehmechanismus reduziert wird. Zugleich gibt die Sandwich-Bauweise dem Spiegelelement eine erhöhte Steifigkeit, die erforderlich ist, um auch bei Windlast die Verformung so gering zu halten, um die gewünschte Strahlungsfokussierung auf den Absorber bzw. Sekundärspiegel zu gewährleisten. Wird das Spiegelelement als Leichtbau-Sandwich ausgeführt, so befindet sich der Primärspiegel - das reflektive Element - auf der (in der Regel konkav gewölbten) o- beren Lage des Sandwiches oder grenzt an diese an. Im Zwischenraum des Sandwich-Elementes finden sich Leichtbau-Strukturen, wie Waben, ein Metall- oder Keramikschaum oder miteinander verklebte Hohlkugeln, die insbesondere nach den in WO 2005/000502 Al (aus Metallschaumbausteinen aufgebautes Bauteil und Verfahren zu seiner Herstellung) beschriebenen Verfahren eingebracht werden können. Auf der Unterseite des
Sandwiches befinden sich die durchströmbaren Fluidka- näle sowie die untere Decklage des Sandwiches, wobei die untere Decklage auch durch ein Rollbond-Blech gegeben sein kann, das die Fluidkanäle enthält. Insbe- sondere kann das als untere Decklage dienende RoIl- bond-Blech in den Bereichen zwischen den Fluidkanälen derart verformt sein, dass gegenüber der oberen Decklage zusätzliche Hohlräume entstehen, die mit der Leichtbau-Struktur gefüllt werden können und damit zu einer zusätzlichen mechanischen Stabilisierung des
Spiegelelementes (insbesondere Verbesserung der Tor- sionssteifigkeit) beitragen. Besonders bevorzugt sind Sandwichelemente, deren Kern durch einen Aufschäumoder Schüttprozess (letzter mit anschließendem Verkleben oder Sintern der Schüttpartikel) derart ent- steht, dass der Hohlraum zwischen den beiden Deckplatten vollständig ausgefüllt wird und somit auch die in der unteren Deckplatte enthaltenen Kanäle in einem Arbeitsgang lückenlos von dem Kernmaterial umgeben werden. Für den Aufschäumprozess kann bei- spielsweise eine kalt oder bei geringen Temperaturen aushärtende Gießkeramik verwendet werden, bei der die zum Aushärten benötigte Temperatur deutlich geringer als die Schmelz- oder Erweichungstemperatur des Materials der Deckplatten ist. Im Idealfall entsteht be- reits durch den Aufschäum- bzw. Sinterprozess eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Kern- und Deckmaterial (Verkleben/chemische Reaktion) . Ist dies durch den Prozess allein noch nicht der Fall, können die formschlüssig ineinander greifenden Teile in einem zweiten Arbeitsgang miteinander Stoffschlüssig verbunden werden (z.B. durch Kleben) . In einer weiteren Variante des Aufschäumprozesses werden die Kanäle erste nach dem Aufschäumen, aber noch vor Aushärten des Schaums erstellt, d.h. sie werden beim Aufblasen in den noch formbaren Schaum hineingedrückt.
Die Reflektoren für solarthermische Kraftwerke sollen über eine möglichst lange Lebensdauer eine hohe optische Effizienz aufweisen (d.h. einen möglichst großen Strahlungsanteil in ein bestimmtes Winkelelement reflektieren) und sollen zugleich möglichst kostengünstig herstellbar sein. Um diese Anforderungen zu erfüllen, besteht noch erheblicher Forschungsbedarf, wie aus einem Review von Kennedy und Terwilliger (C. E. Kennedy and K. Terwilliger, Optical Durability of Candidate Solar Reflectors, Journal of Solar Energy Engineering 127, pp. 262-269, May 2005) hervorgeht.
Besonders aussichtsreich erscheinen glasfreie Spiegel, bei denen ein Substrat mit geeigneten Reflexi- ons- und Schutzschichten beschichtet wird (z.B; der
„Advanced Solar Reflective Mirror" ASRM, (C. E. Kennedy and K. Terwilliger, Optical Durability of Candida- te Solar Reflectors, Journal of Solar Energy Engineering 127, pp. 262-269, May 2005) . Da glasfreie Spie- gel bei erheblich geringerem Gewicht hergestellt werden können, ist für diese Technologie die Verwendung von Rollbond-Blechen als Trägerstruktur (und möglicherweise zugleich als Substrat für die Spiegel- Schichten) besonders bevorzugt.
Der hydraulische Anschluss für das die Spiegelelemente durchströmende Fluid wird so ausgeführt, dass die Drehbarkeit des Reflektors um mindestens 120°, bevorzugt mindestens 180°, besonders bevorzugt mindestens 270°, nicht beeinträchtigt wird. Vorzugsweise ist dieser Anschluss in der Nähe der Drehachse auszuführen, da dann nur ein kurzes Stück flexiblen Schlauchs benötigt wird. Um den Druckverlust bei der Durchströmung der Spiegelelemente gering zu halten, wird es unter typischen Betriebsbedingungen sinnvoll sein, viele Spiegelelemente parallel anzuströmen, z.B. können mehrere Spiegelelemente, die auf derselben Drehachse montiert sind, parallel angeströmt werden. Dazu wird je ein Sammelkanal für den Vor- und Rücklauf be- nötigt, die entweder am Boden verlegt werden können oder in geeigneter Weise in die Trägerkonstruktion der Spiegelelemente integriert werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfin- dungsidee ist die bei der Strahlungskühlung abstrahlende Fläche nicht durch die Rückseite der Primär- Spiegel gegeben, sondern befindet sich räumlich getrennt davon unterhalb der Primärspiegel (z.B. am Boden) . Solange eine langzeitstabile glasfreie Spiegel- Technologe, die eine kostengünstige Integration der Strömungskanäle in die Primärspiegel (Reflektoren) ermöglicht, nicht zur Verfügung steht, kann diese Variante Kostenvorteile aufweisen. Die nachts abstrahlende Fläche kann in diesem Fall als am Boden liegende Matte nach Art eines Schwimmbadabsorbers gestaltet sein. Die darüber angeordneten Primärspiegel gehen in dieser Variante nachts in eine senkrechte Stellung, damit die abstrahlende Fläche unter einem möglichst großen Winkel gegen den Nachthimmel ausgerichtet ist. Ein konstruktiver Vorteil dieser Variante ist, dass keine um die Spiegelachse drehbaren hydraulischen Anschlüsse erforderlich sind.
Zusätzlich sind auch Kombinationen denkbar, bei denen die Wärmeaustauschelemente zumindest teilweise auf der Rückseite der Reflektoren und zusätzlich unterhalb der Reflektoren angebracht sind, z.B. zwischen den Spiegelreihen eines Fresnel-Kollektors .
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kollektorsystems ist der Reflektor aus einem Parabolrinnen-Kollektor gebildet. In diesem Fall kann die Wärmeaustauscherfläche für die nächtliche Strahlungskühlung auf der Rückseite der Parabol- rinnen angeordnet sein. Bei vielen Parabolrinnen- Konstruktionen wird es nicht möglich sein, die Rinne nachts so weit zu drehen, dass die Flächennormalen der Rückseite der Parabolrinne alle in den Halbraum oberhalb des Horizontes zeigen. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, nur den Teil der Rückseite der Parabolrinne als Wärmeaustauscherfläche für die
Strahlungskühlung vorzusehen, deren Flächennormale zum Himmel (d.h. nach oberhalb des Horizontes) ausgerichtet werden kann.
Für den Betrieb des erfindungsgemäßen Solarkollek- tors, der nachts im Modus der Strahlungskühlung betrieben wird, bietet es sich an, während der Nacht einen Kältespeicher zu beladen bzw. zu regenerieren. Vorzugsweise sollte dies ein gut stratifizierter Speicher sein, z.B. ein Schichtspeicher, ein Reser- voir mit Phasenwechselmaterial und/oder Kombinationen hieraus, vorzugsweise ein Wasser-Schichtspeicher. Für den Nachtbetrieb wird dem Speicher vorzugsweise an der wärmsten Stelle (also der obersten Schicht) z.B. Wasser entnommen, das nach dem Durchströmen der IR- emittierenden Flächen des Kollektors abgekühlt durch ein Schichtladesystem wieder in den Speicher eingeschichtet wird, ohne die Temperaturschichtung des Speichers zu zerstören. Je nach Anwendungsfall des Systems in einem solarthermische Kraftwerk oder einer Anlage zur solaren Kühlung wird mit dem kalten Wasser des Speichers tagsüber entweder der Kondensator oder ein Gebäude gekühlt. Im Fall der Gebäudekühlung kann das kühle Speicherwasser einerseits zur Kühlung des Kondensators der thermisch angetriebenen Kältemaschi- ne genutzt werden, andererseits kann es (je nach Temperaturniveau) auch direkt als Kaltwasser für das Gebäude dienen. In beiden Fällen (Kraftwerk und Gebäudekühlung) ist es sinnvoll, tagsüber dem Speicher Wasser an der kältesten Stelle zu entnehmen (also aus der untersten Schicht) und den Rücklauf dieses Kühl- kreises wiederum über ein Schichtladesystem in den Speicher einzuschichten, ohne die Stratifizierung zu beeinträchtigen. In einer alternativen Realisierung enthält der Kältespeicher ein Phasenwechselmaterial (z.B. aus der Gruppe der Paraffine oder Salze) und kann somit weitgehend isotherm betrieben werden. Es ist auch möglich, dass als Wärmeträgerfluid auf der Kälteseite eine Suspension (Slurry) oder eine Emulsion mit einem Phasenwechselmaterial eingesetzt wird, die dann zur Wärmeabgabe durch die IR-emittierenden Flächen des Kollektorsystems gepumpt wird. Im Fall der Gebäudekühlung kann auch die thermische Masse des Gebäudes selbst als Speicher dienen (Bauteilaktivierung, insbesondere Betonkernaktivierung) .
Weiter bevorzugt ist es, wenn der Kreislauf mindestens einen Rückkühler, bevorzugt einen Wärmetauscher, zur Vorkühlung des ersten Wärmeträgers aufweist.
In vielen Kühlanwendungen wird es sinnvoll sein, das Wärmeträgerfluid (erster Wärmeträger) vor der Durchleitung durch den Wärmetauscher mittels eines weiteren Wärmetauschers, beispielsweise eines Luft- /Flüssigkeitswärmetauschers, vorzukühlen. Eine Vorkühlung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Tem- peratur des zu kühlenden Wärmeträgers am Vorlauf der
Wärmetauscherfläche mehr als 4 0C oberhalb der Umgebungstemperatur liegt (bei größeren Temperaturdifferenzen ist der Hilfsenergieverbrauch für konvektive Energieabgabe an die Umgebung - wie z.B. durch einen trockenen Rückkühler mit Ventilator - i.a. geringer als der Hilfsenergieverbrauch, der zum Durchströmen der Strahlungsaustauschfläche mit dem Wärmeträgerfluid aufgewendet werden muss) .
In einer weiteren bevorzugten Systemkonfiguration wird der erfindungsgemäße Kollektor zusammen mit einem Sorptionsspeicher oder einem anderen indirekten Speicher eingesetzt. Indirekte Speicher haben die Eigenschaft, dass sie Energie und Entropie nicht ge- meinsam speichern, sondern bei ihrer Beladung mit
Hochtemperatur-Wärme Entropie in Form von Niedertem- peratur-Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Bei der Entladung muss dann Niedertemperatur-Wärme zugeführt werden, um Nutzwärme auf höherem Temperaturniveau zu erhalten.
Im Fall eines bevorzugten Sorptionsspeichers mit dem Arbeitspaar Zeolith-Wasser wird zur Beladung des Speichers der Zeolith im Temperaturbereich von typischerweise 100 0C - 300 0C desorbiert und das ausge- triebene Wasser kondensiert, wobei die Kondensations- wärme an die Umgebung abgegeben wird. Bei der Speicherentladung wird Verdampfungswärme zugeführt und Adsorptionswärme im Temperaturbereich von typischerweise 50 0C - 250 0C freigesetzt. Somit kann ein Sorptionsspeicher auch als „indirekter Kältespeicher" in einem Kühlsystem eingesetzt werden, da bei der Speicherentladung im Verdampfer Nutzkälte erzeugt werden kann. Die bei der Speicherentladung freiwerdende Wärme kann wiederum genutzt werden, um eine thermisch angetriebene Kältemaschine zu betreiben, so dass sich aus der Kombination von Speicher und Kältemaschine ein zweistufiger Kälteerzeugungsprozess ergibt. Wenn Speicher und Kältemaschine dasselbe Arbeitsmittel einsetzen (z.B. Wasser bei Zeolith als Sorptiorismittel im Speicher and AlPO (Aluminophos- phat) , SAPO (Silico-Aluminophosphat) oder Silikagel als Sorptionsmittel in der Kältemaschine) , so können Speicher und Kältemaschine in ein Gesamtsystem integriert werden und einem gemeinsamen Verdampfer nutzen.
Um als Pufferspeicher in einem System zur solaren Kühlung sinnvoll einsetzbar zu sein, muss ein Sorptionsspeicher zumindest über einige Stunden den Wärmeantrag des Solarkollektors aufnehmen können. Da kon- zentrierende Solarkollektoren wegen des Aufwands für die Nachführung erst ab einer Mindestgröße wirt- schaftlich interessant werden, die typischerweise größer 20 m2 Kollektorfläche liegt, muss der Sorptionsspeicher typischerweise mehr als 50 kWh Wärme aufnehmen können. Für Speicher dieser Größe kommen aus wirtschaftlichen Erwägungen nur sehr kostengünstige Sorptionsmaterialien in Betracht. Die Adsorptionseigenschaften des Materials sollten zudem an das vom konzentrierenden Solarkollektor mit gutem Wirkungsgrad erzielbare Temperaturniveau angepasst sein. Für Fresnel -Kollektoren entsprechend z.B. dem Solarmundo- Konzept, mit denen sich problemlos Fluidtemperaturen von 200 0C erreichen lassen, sind Zeolithe vom Strukturtyp LTA (Zeolithe A und Alpha, insbesondere hydrothermal stabilere mit zweiwertigen Kationen ausge- tauschte Formen, wie NaCa-A) und Strukturtyp FAU
(Faujasite) insbesondere der hydrothermal sehr stabile Li-LSX sowie ionenausgetauschte X- und Y-Zeolithe entsprechend dem Stand der Technik der Zeolithsynthe- sen) besonders gut geeignet. Unter einem Sorpti- onsspeicher wird jedoch erfindungsgemäß jeder Speicher mit einem festen oder flüssigen Sorptionsmittel verstanden.
Ist ein Sorptionsspeicher vorhanden, so wird die er- findungsgemäße IR-emittierende Wärmeaustauschfläche bevorzugt dazu genutzt, während der Nacht zumindest einen Teil der Kondensationswärme des Sorptionsspeichers an die Umgebung abzugeben. Da der Solarkollektor nachts keine Wärme liefert, ist dafür zusätzlich entweder ein Wärmespeicher auf einem zur Beladung des
Sorptionsspeichers hinreichenden Temperaturniveau oder eine zusätzliche, externe Wärmequelle nötig.
Eine bevorzugte externe Wärmequelle ist eine Anlage der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) , die Abwärme auf geeignetem Temperaturniveau zur Verfügung zu stellt. Insbesondere kann dies ein Blockheizkraftwerk mit Otto- oder Dieselmotor sein, ein Stirling-Motor oder besonders bevorzugt eine Anlage, deren gesamte Abwärme auf einem zur Desorption des Speichers nutzbaren Temperaturniveau vorliegt, wie z.B. eine Mikrogastur- bine (typische Abgastemperatur 270 0C) oder eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle .
In Verbindung mit einem Sorptionsspeicher weist die erfindungsgemäße IR-emittierende Oberfläche des Kollektorsystems den Vorteil auf, dass sie genutzt werden kann, um nachts die Kondensationstemperatur des Sorptionsspeichers zu verringern und damit je nach Wahl des Sorptionsmaterials eine weitergehende De- Sorption (stärkere Trocknung) des Sorptionsmaterials zu erreichen und somit die Speicherdichte zu erhöhen.
Für das Anwendungsgebiet der solaren Kühlung bietet der als bevorzugte Ausführung dieser Erfindung be- schriebene modifizierte Fresnel-Kollektor weitere
Nutzungsmöglichkeiten, von denen hier einige exemplarisch genannt werden.
Während solarthermische Kraftwerke erst mit einer Kollektorfläche von vielen Tausend Quadratmetern ökonomisch interessant werden, sind Anlagen zur solaren Kühlung schon mit sehr viel kleineren Kollektorflächen interessant. Hier ist z.B. an eine einzelne Fresnel -Kollektorreihe zu denken, die auf einem Ge- bäudedach oder z.B. über einem Parkplatz installiert werden kann. Zum Betrieb einer hocheffizienten thermisch angetriebenen Kältemaschine, z.B. einer zweistufigen Absorptions- oder Adsorptionskältemaschine, sind typischerweise Antriebstemperaturen von 1600C bis 2000C ausreichend. Diese Betriebstemperaturen ermöglichen eine viel einfachere Absorbertechnologie des Kollektors als für die solarthermischen Kraftwerke (mit Direktverdampfung von Wasser im Absorber) erforderlich.
Wenn der Hauptzweck der Solaranlage die solare Kühlung ist und nicht die solarthermische Stromerzeugung, kann es vorteilhaft sein, photovoltaische Stromerzeugung in das System zu integrieren (z.B. wenn es sich um ein System handelt, das abgekoppelt von einem Stromnetz energieautark betrieben werden soll) . Wenn in einem Fresnel-Kollektor Sekundärspiegel und Absorber durch ein PV-Modul ersetzt werden, muss dieses typischerweise gekühlt werden, um eine Überhitzung zu verhindern. Bei genügend niedriger Vorlauftemperatur des Kollektors kann so ein flüssiggekühltes PV-Modul direkt an den Anfang (Vorlauf) eines Kollektorstrangs geschaltet werden. Wenn die Vorlauftemperatur des Kollektors für die Solarzellen schon zu hoch ist, können die PV-Module entweder mit Wasser aus einem (nachts abgekühlten) Kaltwasserspeicher oder mit Wasser, das tagsüber direkt durch die Reflektorelemente geleitet und dort abgekühlt wird, durchströmt werden.
Solche Hybridsysteme sind insbesondere für den Ein- satz in Entwicklungsländern interessant. In ländlichen, nicht elektrifizierten Regionen, in denen zur Zeit etwa zwei Milliarden Menschen leben, kann der erfindungsgemäße Kollektor mit integrierten PV- Modulen in kleinen, dezentralen Einheiten (ab ca. 100 m2 Kollektorfläche) eingesetzt werden, um a) Wärme für eine thermisch angetriebene Kältemaschine zu liefern, die Eis erzeugt; b) Wärme zum solaren Kochen zur Verfügung zu stellen und c) Strom zu liefern, z.B. für eine Batterieladestation. So ein System stellt für die Zielregionen eine angepasste Technologie dar, da 1. das System zu sehr geringen Kosten mehrere Grundbedürfnisse befriedigt, 2. ein großer Teil des Systems im Zielland hergestellt werden kann (Tragekonstruktion, System zur Nachführung der Spiegel, evtl. die Spiegelelemente) und 3. die wartungs- anfälligen Teile des Systems von lokalen Technikern gewartet werden können.
Die zentrale Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass die Fläche der Reflekto- ren eines konzentrierenden Solarkollektors durch die Erfindung einen Zusatznutzen als Wärmeaustauscherflache erfährt. Ein Bedarf an Wärmeabgabe an die Umgebung besteht sowohl bei solarthermischen Kraftwerken (Kondensationswärme) als auch bei Anwendungen der so- laren Kühlung, z.B. Rückkühlung der Abwärme eines aktiven Kälteerzeugungssystems oder direkte Kühlung.
Durch die erfindungsgemäße Nutzung der Strahlungskühlung an den Nachthimmel kann die Kollektorfläche auch nachts sinnvoll genutzt werden, zudem kann der in typischen Zielregionen große Unterschied zwischen Tages- und Nachttemperatur ausgenutzt werden (in Verbindung mit einem thermischen Speicher) .
Bei der Integration von photovoltaischen Modulen in einen Fresnel-Kollektor können die PV-Module gekühlt werden, indem das an den PV-Modulen erwärmte Wär- meträgerfluid durch die Reflektorflächen geleitet wird, um sich dort wieder abzukühlen. Auch hier kann gegebenenfalls noch zusätzlich eine Vorkühlung erfolgen.
Die hier beschriebene Erfindung lässt sich jedoch unabhängig von der gewählten Absorbertechnologie reali- sieren, da sie nur eine Modifikation der Primärspiegel erfordert. Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Systems angegeben, wobei
a) Sonnenstrahlung kollektiert und in thermische und/oder elektrische Energie umgewandelt wird und
b) der erste Wärmeträger über das mindestens eine Wärmetauschelement, das mit mindestens einem Mittel zum Durchleiten eines ersten Wärmeträgers ausgestattet ist, gekühlt wird.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegen dabei die Erkenntnisse von C. Armenta-Den et al . (Renewable Energy 28 (2003), S. 1105-1120) zugrunde.
Eine besonders effiziente Möglichkeit der Wärmeabgabe während der Nacht über die Oberfläche des Kollektors stellt die Strahlungskühlung an den Nachthimmel dar. Unter günstigen Bedingungen (klarer Nachthimmel, geringe Luftfeuchtigkeit, hohe Emissivität der Oberflä- che) können bei Umgebungstemperatur Abstrahlungsleis- tungen von 100 W/m2 erreicht werden (M. G. Meir et. al., Solar Energy, Vol. 73, No. 6, S. 403-417, 2002) . Dazu müssten die dafür vorgesehenen und geeignet beschichteten Flächen nachts zum Himmel hin ausgerich- tet werden. Eine Abkühlung von Oberflächen auf Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur wird dadurch ermöglicht, dass die Strahlungstemperatur des wolkenlosen Nachthimmels häufig deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur liegt (siehe dazu z.B. M. G. Meir, J. B. Rekstad and O. M. Lowik: A study of a Po- lymer-based radiative Cooling System, Solar Energy Vol. 73, No. 6, pp. 403-417, 2002) . Um die Wärmeab- strahlung der Oberfläche zu maximieren, sollte die Oberfläche eine möglichst hohe Emissivität im infra- roten Spektralbereich aufweisen. Bei nicht-konzen- trierenden Kollektoren besteht hier ein Zielkonflikt, da der Absorber für den Kollektorbetrieb eine möglichst geringe Emissivität in diesem Spektralbereich aufweisen sollte, um die Wärmeabstrahlungsverluste zu minimieren. Bei konzentrierenden Kollektoren kann dieser Zielkonflikt umgangen werden, indem die Rückseite der Reflektorfläche so gestaltet wird, dass sie eine hohe Emissivität im Infraroten aufweist und nachts auf den Himmel ausgerichtet werden kann. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Oberfläche schwarz gefärbt wird.
In einer Ausführungsform erfolgt dabei ein Ausrichten des Wärmetauschelementes auf den Nachthimmel durch Drehen mindestens eines Reflektors, so dass die dem reflektiven Element abgewandte Seite des Reflektors dem Nachthimmel zumindest partiell zugewandt ist.
Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, durch
Senkrechtstellen der den Fresnel -Kollektor bildenden Reflektoren die beispielsweise darunter angeordneten Wärmetauschelemente auf den Himmel auszurichten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht darauf beschränkt, dass die Kühlung lediglich nachts erfolgt. Insbesondere bei einer hohen Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Wärmeträger und der Außentemperatur kann selbstverständlich auch tagsüber eine effektive Kühlung erfolgen.
Als Verwendungsmöglichkeiten des Systems sind Umwandlung von Sonnenstrahlung in thermische und/oder elektrische Energie, Kühlung von Gebäuden, Kondensa- toren von thermischen Kraftwerken, bevorzugt solarthermischen Kraftwerken und/oder Photovoltaikmodulen sowie das Betreiben von solarthermischen Kraftwerken und/oder Adsorptions- und/oder Absorptionskältemaschinen zu nennen.
Vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Figur näher erläutert, ohne die Erfindung auf die dort abgebildeten speziellen Eigenschaften beschränken zu wollen.
Figur 1 zeigt den Querschnitt eines als Parabolspiegel ausgebildeten Reflektors 1, der aus Aluminium besteht. Bei diesem Element ist die Vorderseite als Frontseitenreflektor 2 - das reflektive Element - ausgebildet (beispielsweise, indem die Aluminium- Vorderseite hochglanzpoliert und somit spiegelnd ausgebildet oder mit einer spiegelnden Beschichtung versehen ist) . Der Reflektor ist in Leichtbau-Bauweise ausgebildet, wobei die Trägerplatte des Reflektors als Sandwichstruktur 3 ausgebildet ist. Auf der Rück- seite weist der Reflektor 1 durch Rollbond-Technik ausgebildete Strukturen auf, die Kanäle 4 zur Durchleitung eines Wärmeträgers aufweisen. Die Versorgung der Kanäle 4 erfolgt durch das Anschlussrohr 5, das gleichzeitig als Aufhängung und Drehachse des Reflek- tors fungiert. Die Verteilung des durch das Anschlussrohr 5 zu- und abgeleitete zu leitende Fluid in die Kanäle 4 ist in Fig. 5 und 6 näher erläutert. Das Anschlussrohr kann sich auch auf der Rückseite des Reflektors befinden und als Aufhängung des Re- flektors 1 fungieren.
In Figur 2 ist ein Reflektorelement 1 eines Fresnel- Kollektors abgebildet. Der prinzipielle Aufbau ist identisch mit dem Reflektor 1, der in Figur 1 darge- stellt ist, außer dass das Element plan und nicht parabolisch ausgebildet ist. In Figur 3 ist eine alternative Ausführungsform des Elements 1 aus Figur 2 dargestellt, das zusätzlich mit einer Drehachse versehen ist, über die der Re- flektor 1 gedreht oder gekippt werden kann. Die Drehachse 5 kann dabei gleichzeitig als Rohr 5 zur Zuführung bzw. Abführung des Wärmeträgers ausgebildet sein. Die Verteilung des Wärmeträgers erfolgt vom Anschlussrohr 5 in die Kanäle 4, beispielsweise wie in Fig. 5 oder 6 erläutert. Ebenso ist die reflektierende Eigenschaft der verspiegelten Oberfläche 2 angedeutet .
In Figur 4 ist die Rückseite des bereits in Figur 3 beschriebenen Reflektors 1 dargestellt, bei dem das auf der Rückseite aufgebrachte Wärmetauschelement 6 an der Oberfläche geschwärzt ist. Die Schwärzung kann beispielsweise durch einen schwarzen Anstrich oder durch Beschichtung mit Ruß o.Ä. erfolgen. Das Grund- material des Wärmetauschelementes 6 ist dabei bevorzugt ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Aluminium. Dadurch ist gewährleistet, dass sich die thermische Energie der durch die Lamellen 4 geleiteten, zu kühlenden Flüssigkeit gleichmä- ßig und ganzflächig über die gesamte Oberfläche des Wärmetauschelementes 6 verteilt, so dass, wie in Figur 4 durch die gewellten Pfeile angedeutet, eine effiziente Abgabe der thermischen Energie an beispielsweise den Nachthimmel durch Strahlungskühlung erfol- gen kann.
In Figur 5 ist eine Aufsicht auf die mit dem Wärmetauschelement 6 versehen Rückseite des Reflektors 1 dargestellt, aus der ersichtlich wird, wie das Fluid über die Anschlussrohre 5 in die Kanäle 4 verteilt wird. Die Verteilung des Fluids erfolgt dabei ausge- hend vom Verteilerrohr 5 zunächst über einen Verteilerkanal (in der Figur horizontal dargestellt) , im Anschluss daran über mehrere parallele Kanäle 4 und schließlich wieder über einen Sammelkanal, am gegen- über liegenden Ende ebenfalls horizontal dargestellt, zurück zum Auslass, also der entsprechenden Ableitung 5.
In Figur 6 ist, in Analogie zu Figur 5, eine alterna- tive Verteilungsstruktur ausgehend von einem Zulei- tungs- und Ableitungsrohr 5 in verschiedene Kanäle dargestellt. Die Verteilung erfolgt hier nach dem bionischen FracTherm®-Ansatz, der eine mehrfach verzweigte Struktur aufweist. Funktionsweise und Her- Stellungsmöglichkeiten dieser Verteilungsstrukturen sind beispielsweise in der EP 1 525 428 beschrieben.
Figur 7 zeigt eine Gesamtansicht des Kollektorsystems 10 zur thermischen und/oder elektrischen Solarener- gienutzung, wobei das Kollektorsystem 10 hier in
Fresnel -Bauweise ausgeführt ist. Das System besteht dabei aus einem Array aus einer Vielzahl von Reflektoren 1, die beispielsweise in der Bauart ausgeführt sein können, wie dies in einer der Figuren 2, 3 oder 4 beschrieben ist, d.h. die Reflektoren 1 weisen eine Frontseitenverspiegelung 2 sowie ein Wärmetauschele- ment 6 auf, durch das, beispielsweise durch die in den Figuren 2 bis 4 beschriebenen Fluidverteilungs- strukturen 4 das zu kühlende Fluid geleitet wird. Die Reflektoren 1 sind dabei drehbar gelagert und können zur Konzentrierung des einfallenden Sonnenlichtes 8 in entsprechend variierender Position dem Sonnenverlauf nachgeführt werden. Die Vielzahl der Reflektoren 1 bewirkt eine Konzentration des Sonnenlichtes 8 auf eine Rohrleitung 7, durch das ein zu erhitzender Wärmeträger geführt wird. Alternativ oder zusätzlich hierzu ist es jedoch auch möglich, die Wärmetauschelemente 6 separat von den Reflektoren 1 in der Vorrichtung 10 anzubringen, beispielsweise, wie dies in Figur 7 dargestellt ist, am Boden, unterhalb der Re- flektoren 1. Diese Wärmetauschelemente 6 können als
Matten ausgebildet sein und verfügen jeweils über eine Zu- und Ableitung 5 für zu kühlendes Fluid sowie entsprechende Verteilungsstrukturen 4 für das Fluid. Für den Fall, dass bei den in Figur 7 dargestellten Fresnel-Kollektoren 10 Reflektoren 1, wie sie in den Figuren 2 bis 4 beschrieben sind, eingesetzt werden, erfolgt im Nachtbetrieb des Reflektors eine Ausrichtung des Wärmetauschelementes 6 auf den Nachthimmel, indem die Reflektoren 1 mit ihrer Rückseite auf den Nachthimmel ausgerichtet werden. Für den Fall, dass die Wärmetauschelemente 6 am Boden, unterhalb der Reflektoren 1, angebracht sind, erfolgt im Nachtbetrieb des Kollektorsystems 10 eine derartige Ausrichtung der Reflektoren 1, dass in Projektion von oben eine möglichst geringe Fläche der Wärmetauschelemente 6 von den Reflektoren 1 verschattet ist, d.h. bevorzugt eine Senkrechtstellung bzw. vertikale Ausrichtung der Reflektoren 1 bezüglich des Nachthimmels.
Eine alternative Ausführungsform des Kollektorsystems 10 ist in Figur 8 dargestellt, wobei hier der Reflektor 1 parabolisch ausgebildet ist und dem in Figur 1 dargestellten Reflektor entspricht. Durch diesen parabolischen Reflektor erfolgt ebenfalls eine Konzent- ration des Sonnenlichtes 8 auf die Rohrleitung 7, durch die ein zu erhitzendes Fluid geführt wird. Die erfindungsgemäße Kühlung erfolgt durch Ausrichten der Rückseite des Reflektors 1 auf den Nachthimmel.

Claims

Patentansprüche
1. Kollektorsystem (10) zur thermischen und/oder elektrischen Solarenergienutzung, das folgende Bestandteile aufweist: a) mindestens einen konzentrierenden Reflektor (1) , der auf der Oberfläche mindestens ein reflektives Element (2) zur Fokussierung der einfallenden Sonnenstrahlung aufweist, wobei mindestens ein Reflektor (1) um mindestens eine Achse drehbar gelagert ist, b) mindestens ein Mittel (7) zur Umwandlung von
Strahlungsenergie der Sonne in thermische und/oder elektrische Energie, das sich mindestens zeitweise im Fokus der vom Reflektor (1) reflektierten Strahlung befindet, sowie c) mindestens ein Wärmetauschelement (6), das mit mindestens einem Mittel (4) zum Durchleiten eines ersten Wärmeträgers ausgestattet ist.
2. System (10) nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass mindestens ein Wärmetauschelement
(6) mindestens eine Oberfläche aufweist, über die ein Wärmeaustausch mit der Umgebung ermöglicht ist.
3. System (10) nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wärmetauschelement (6) ein Strahlungswärme- tauschelement ist.
4. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Oberfläche des mindestens einen Wärmetauschelements (6) , über die ein Wärmeaustausch mit der Umgebung ermöglicht ist, eine Emissivi- tät im nahen Infrarotbereich von mindestens 0,85, bevorzugt 0,94, besonders bevorzugt 0,95 aufweist .
5. System (10) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Oberfläche des mindestens einen Wärmetauschelementes (6) , über die ein Wärmeaustausch mit der Umgebung ermöglicht ist, bezüglich der Aperturfläche des mindestens einen Re- flektors (1) mindestens 20 % beträgt.
6. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mittel (4) zum Durchleiten eines ersten Wärmeträgers ausgewählt ist aus der Grup- pe bestehend aus Rohren, Kanälen, Lamellen, Pan- elen und/oder Rollbond-Blechen.
7. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mittel (4) zum Durchleiten eines ersten Wärmeträgers auf der Oberfläche und/oder im Inneren des mindestens einen Wärmetauschelements (6) angeordnet ist.
8. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das min- destens eine Mittel (4) zum Durchleiten eines ersten Wärmeträgers so bezüglich des Wärme- tauschelementes (6) angeordnet ist, dass ein enger thermischer Kontakt des ersten Wärmeträgers mit dem Wärmetauschelement (6) gewährleistet ist.
9. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das min- destens eine Wärmetauschelement (6) mit mindestens einem Wärmereservoir oder Wärmequelle, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Schichtspeicher, einem Reservoir mit Phasenwech- selmaterial und/oder Kombinationen hieraus über einen Kreislauf verbunden ist.
10. System (10) nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtspeicher oder das Reservoir mit Phasenwechselmaterial, Stoffe zur thermischen Energiespeicherung, aus- gewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasser, Paraffinen, Thermoölen, Salzen und/oder Mischungen, Suspensionen, Dispersionen und/oder Emulsionen hieraus, enthält.
11. System (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf mindestens einen indirekten Speicher, bevorzugt einem Sorptionsspeicher aufweist.
12. System (10) nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Sorptionsspeicher Zeolithe enthält.
13. System (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sorptionsspeicher mit mindestens einer externen Wärmequelle, die bei Bedarf den Sorptionsspeicher beheizt, verbunden ist.
14. System (10) nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Wärme- quelle ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Anlage zur kombinierten Strom- und Wärmeerzeugung, z.B. einem Otto-Motor, Diesel- Motor, Stirling-Motor, Mikrogasturbine, Hochtetn- peratur-Brennstoffzelle und/oder einem weiteren
Wärmereservoir, in dem solare Energie als thermische Energie zwischengespeichert wird.
15. System (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf min- destens einen Rückkühler, bevorzugt einen Wärmetauscher, zur Vorkühlung des ersten Wärmeträgers aufweist .
16. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Wärmetauschelemente (6) Anschlüsse (5) zur parallelen Versorgung des Mittels (4) mit dem ersten Wärmeträger aufweisen.
17. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wärmetauschelement (6) zumindest bereichsweise auf der dem reflektiven Element (2) abgewandten Seite mindestens eines Reflektors (1) aufgebracht ist.
18. System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wärmetauschelement (6) beabstandet zu mindestens einem Reflektor (1) , bevorzugt unterhalb zu mindestens einem Reflektor (1) beabstandet, angebracht ist.
19. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (1) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Fresnel-, Parabolrinnen- , ASRM- und/oder CLFR-Reflektoren, je bevorzugt basierend auf glasfreien Spiegeln.
20. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Reflektor (1) in Sandwich-Bauweise (3) , bevorzugt als Leichtbau-Sandwich ausgeführt ist.
21. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Reflektor (1) Bestandteile aus Materialien, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Leichtbau- Füllelementen, wie z.B. verklebten metallischen Hohlkugeln oder einem Metall- oder Keramikschaum, geschäumten Materialien, Schüttungen, kalt oder bei geringen Temperaturen aushärtbare Gießkeramiken und/oder Kombinationen hieraus, enthält .
22. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Reflektor (1) einen Konzentrationsfaktor von mindestens 2 aufweist.
23. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Reflektor (1) mindestens um 120°, bevorzugt mindestens um 180°, besonders bevorzugt um min- destens 270° um mindestens eine Achse drehbar ist.
24. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mittel (7) zur Umwandlung von Strahlungs- energie der Sonne in thermische und/oder elektrische Energie ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Absorberrohr zur Erwärmung ei- nes weiteren Wärmeträgers , einem Photovoltaikmo- dul und/oder Kombinationen hieraus.
25. System (10) nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaikmodul mindestens ein Mittel zur Flüssigkeitskühlung aufweist .
26. System (10) nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Flüssigkeitskühlung mit dem mindestens einen Mittel (4) zum Durchleiten eines ersten Wärmeträgers des mindestens einen Wärmetauschelements (6) in thermischer Verbindung steht.
27. System (10) nach Anspruch 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaikmodul auf dem Absorberrohr (7) zur Erwärmung eines weiteren
Wärmeträgers im Bereich der geringsten Temperatur des weiteren Wärmeträgers angeordnet ist.
28. System (10) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorberrohr (7) zur Erwär- mung eines weiteren Wärmeträgers Teil eines
Kreislaufs des weiteren Wärmeträgers ist.
29. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an das mindestens eine Mittel (7) zur Umwandlung von Strahlungsenergie oder an den Kreislauf dessen
Teil das mindestens eine Mittel (7) zur Umwandlung von Strahlungsenergie ist, mindestens eine Kältemaschine, bevorzugt eine Adsorptions- und/oder Absorptionskältemaschine angeschlossen ist.
30. Verfahren zum Betreiben eines Systems (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei a) Sonnenstrahlung kollektiert und in thermische und/oder elektrische Energie umgewandelt wird und
b) der erste Wärmeträger über das mindestens ei- ne Wärmetauschelement (6) , das mit mindestens einem Mittel (4) zum Durchleiten des ersten Wärmeträgers ausgestattet ist, gekühlt wird.
31. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung zumindest zum Teil nachts erfolgt.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung durch Strahlungskühlung erfolgt .
33. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungskühlung durch
Ausrichten des mindestens einen Wärmetauschelementes (6) auf den Nachthimmel erfolgt.
34. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrichten des Wärme- tauschelementes (6) auf den Nachthimmel durch
Drehen mindestens eines Reflektors (1) erfolgt, so dass die dem reflektiven Element (2) abgewandte Seite des Reflektors (1) dem Nachthimmel zumindest partiell zugewandt ist, wobei das Wär- metauschelement (6) auf der dem reflektiven Element (2) abgewandten Seite des Reflektors (1) angeordnet ist.
35. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrichten des Wärmetauschelemen- tes (6) auf den Nachthimmel dadurch erfolgt, dass die den Fresnel-Kollektor bildenden Reflektoren (1) so ausgerichtet werden, dass ihr stö- render Einfluss auf den Strahlungsaustausch zwischen Wärmetauschelement und Nachthimmel minimiert wird, vorzugsweise durch Senkrechtstellen der den Fresnel-Kollektor bildenden Reflektoren.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlung mittels mindestens eines indirekten Speichers, bevorzugt mindestens eines Sorptionsspeichers erfolgt.
37. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein indirekter Speicher, bevorzugt der Sorptionsspeicher nachts durch die mindestens eine externen Wärmequelle regeneriert wird.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass der gekühlte erste Wärmeträger in dem mindestens einen Wäremereser- voir gespeichert wird.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei
Mittel (4) zum Durchleiten eines ersten Wärmeträgers parallel von dem ersten Wärmeträger durchströmt werden.
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische und/oder elektrische Energie zum Betreiben einer Kältemaschine verwendet wird.
41. Verwendung eines Systems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 29 zur Umwandlung von Sonnenstrah- lung in thermische und/oder elektrische Energie.
42. Verwendung eines Systems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 29 zur Kühlung von Gebäuden, Kondensatoren von thermischen Kraftwerken, bevorzugt solarthermischen Kraftwerken und/oder Pho- tovoltaikmodulen.
43. Verwendung eines Systems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 29 zum Betreiben von solarthermischen Kraftwerken und/oder Kältemaschinen, bevorzugt Adsorptions- und/oder Absorptionskälte- maschinen.
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