WO2010136463A2

WO2010136463A2 - Sonnenkollektor

Info

Publication number: WO2010136463A2
Application number: PCT/EP2010/057180
Authority: WO
Inventors: Jan Schulte-Fischedick
Original assignee: Schott Solar Ag
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2010-12-02
Also published as: DE102009026546A1; DE102009026546B4; WO2010136463A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor (1), der mindestens einen Koliektorspiegel (2) und mindestens ein Absorberrohr (10) aufweist, wobei das Absorberrohr (10) mindestens einen von einem Wärmeträgermedium von einem Eintrittsquerschnitt (16) zu einem Austrittsquerschnitt (18) durchströmbaren Strömungskanal (20) aufweist. Bei diesem Sonnenkollektor ist hinter dem Eintrittsquerschnitt (16) mindestens eine Strömungsleiteinrichtung (60) angeordnet, die im Wärmeträgermedium Wirbel (30, 32, 34) erzeugt, die eine Verdünnung der thermischen Grenzschicht (36) auf der dem Kollektorspiegel (2) zugewandten Hälfte (12) des Absorberrohrs (10) und eine Verdickung der thermischen Grenzschicht (36) auf der dem Kollektorspiegel (2) abgewandten Hälfte (14) des Absorberrohrs (10) bewirken.

Description

Sonnenkollektor

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Sonnenkoilektor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Sonnenkoilektoren können beispielsweise mit einem Parabolspiegel ausgestattet werden und in so genannten Parabolrinnen-Kraftwerken eingesetzt werden, in bekannten Parabolrinnen-Kraftwerken wird ein Thermoöl eingesetzt, das sich bei ca. 400° C zersetzt. Aufgrund dieser Temperaturbegrenzung ist die maximale Temperatur des Dampfturbinenprozesses auf ca. 380° C begrenzt. Dies führt zu deutlich schlechteren Wirkungsgraden, als sie derzeit im fossilen Kraftwerksbereich erreichbar sind.

Um eine deutliche Verbesserung von Parabolrinnen-Kraftwerken zu erzielen, muss das Thermoöl als Wärmeträgermedium ersetzt werden.

Neuere Bestrebungen gehen dahin, auf die Direktverdampf ungstechnologie um- zusteigen, in der auf den gesamten, derzeit mit Thermoöl betriebenen, Primärkreislauf verzichtet wird. Hiermit können Maximaltemperaturen erzielt werden, die durch die eingesetzten Stähle begrenzt werden und die derzeit bei einer Maximaltemperatur von 550° C liegen. Der Vorteil dieser Technologie liegt in der Einsparung der thermischen Verluste und in der Einsparung von Kosten des Verdampferstrangs.

Die Fluidtemperatur des Wärmeträgers, die bei Materiaitemperaturen von 550° C erreicht werden können, ist abhängig von dem Widerstand der thermischen Grenzschicht, die sich im Absorberrohr aufbaut. Die thermische Grenzschicht ist der Bereich eines Fluids, der durch einen Wärmestrom aus einer Wand oder in eine Wand beeinflusst wird, wenn die Wand eine andere Temperatur hat als das Fluid. Statt einer Wand kann auch ein anderes Fluid eine thermische Grenzschicht erzeugen.

Die thermische Grenzschicht wird einerseits durch die Wand begrenzt, andererseits durch eine gedachte Fläche, von der aus sich die Fluidtemperatur in Richtung zum Inneren des Fluids nicht mehr ändert.

Die Dicke der thermischen Grenzschicht nimmt in Richtung der Strömung zu, da je nach Wandtemperatur dem Fluid Wärme zugeführt oder entzogen wird. Strömt das Fluid in einem Rohr oder einem Kanal, so können die thermischen Grenzschichten von beiden Seiten nach einer bestimmten Strecke in der Mitte zusammenwachsen. Von da ab nimmt die flächenbezogene Wärmeübertragungsieistung ab, da die Temperaturdifferenz zwischen Wand und Kernströmung ebenfalls abnimmt. Die Wärmeübertragungsleistung kann also mithilfe einer Verlängerung des Strömungsweges nicht beliebig gesteigert werden.

Im Übergang zwischen Verdampfer- (zweiphasig: Wasser/Dampf) und Überhitzerbereich (einphasig: Dampf) steigt die Temperaturdifferenz zwischen maximaler und Absorbertemperatur (T_abs) und Fiuidtemperatur (T_fiuid) deutlich auf ca. 23 K an. Dadurch liegt die im Rahmen der Zulassung der in Receivern verwendeten Edelstahle auf 550° C maximal erreichbare Fluidtemperatur bei ca. 527° C. Um diese Temperatur weiter zu steigern und andere Vorteile aus einem zu reduzierenden thermischen Widerstand der thermischen Grenzschicht zu ziehen, muss die wärmetechnische Grundgleichung

ö = ^(T_abs ~T_fluid)

betrachtet werden. Ö bezeichnet hierbei die Wärmeleistung, k den Wärmeübergangskoeffizienten, A die zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Flache und (T_abs - T_fluid) die treibende Temperaturdifferenz. Will man die Temperaturdifferenz reduzieren, um Tfl_md zu erhöhen, so kann dies bei gegebenem Q nur durch Erhöhung von k oder A geschehen.

Eine Erhöhung der Wärmeübertragerfläche wäre beispielsweise möglich, indem man den Rohrdurchmesser reduziert und gleichzeitig die Anzahl der Kollektoren erhöht. Dann müssten kleinere Kollektoren gebaut werden, da sonst zu viele Lichtstrahlen den Absorber verfehlen. In der Konsequenz wären deutlich mehr Kollektoren notwendig, was den Preis des Solarfeldes sowie die Wärmeverluste an die Umgebung signifikant steigern würde.

Eine weitere, aus dem Wärmeübertragerbereich bekannte Möglichkeit wäre die Erweiterung der Wärmeübertragerfläche durch Innenberippung. Diese scheidet jedoch aus Kostengründen aus. Damit kann der Paraboirinnen-Receiver nur optimiert werden, wenn man den Wärmeübergangskoeffizienten k verbessert, in den neben den (im konkreten Fall vorgegebenen und unveränderbaren) Stoffdaten noch die Strömungsform eingeht.

Eine aus dem Bereich von Plattenwärmeübertragern bzw. durch Platten berippte Rohrbündelwärmeübertrager bekannte Möglichkeit stellen die Längswirbelerzeuger dar.die als so genannte „wingiets" bezeichnet werden. Eine gute Übersichts- Darstellung ist in Jacobi und Shar (A. M. Jacobi, R.K. Shah, „Heat transfer surface enhancement through the use of longitudinal vortices: a review of recent progress, Exp. Ther. Fluid Sei. 11. 1995, S. 295-309) zu finden. Hierbei werden in die einzelnen Platten deltaförmige oder rechteckige Widerstandsprofile eingefügt, die zur Entstehung von Wirbeln führen. Hierbei hat sich herausgestellt, dass insbesonde- re Wirbel, deren Längsachsen parallel zur Strömungsrichtung verlaufen, zu einer deutlichen Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten führen können.

Erweitern sich die Deltaprofile in Strömungsrichtung (inflow pair), so erzeugen sie an ihren in die Strömung ragenden Kanten einwärts gerichtete Strömungen, die dann zur Grundplatte hin umgelenkt werden. Die beiden so erzeugten Wirbel ziehen die Grenzschicht an der Grundplatte nach außen, so dass hinter den Deltaprofilen die Grenzschichtdicke der Grundplatte drastisch reduziert wird. Auf diese Weise kann der lokale Wärmeübergangskoeffizient um ca. 200 % erhöht werden. Verlaufen dagegen die Deltaprofile in Strömungsrichtung aufeinander zu (outflow pair), so führen die entstehenden Wirbel zu einer Verdickung der Grenzschicht entlang der Mittelachse der Anordnung, was zu einer Reduzierung des Wärmeübergangskoeffizienten führt. Im Vergleich mit den gebräuchlichen Sekun- däroberfiächen weisen die Winglets die stärkste Erhöhung des Wärmeübergangs- koeffizienten auf (U. Brockmeier, T.H. Güntermann, M. Fiebig „Performance eva- luation of a vortex generator heat transfer surface and comparison with different high Performance surfaces", Int. J. Heat Mass Transfer, 36, 1993, S. 2575-2587).

Aus der DE 10 2005 029 321 A1 ist ein Wärmeübertrager bekannt, bei dem Stukturelemente in Strömungsrichtung variabel angeordnet und/oder ausgebildet sind, wobei der Strömungskanal auf der Innenseite einen variablen, insbesondere ein in Strömungsrichtung zunehmenden Wärmeübergang aufweist Die Dichte der Struktureiemente ist variabel und nimmt insbesondere in Strömungsrichtung zu.

In der DE 10 2004 045 923 A1 werden neben rechteckigen auch runde Rohrprofile beschrieben, in denen zwei Reihen mit Strukturelementen auf sich im wesentlichen gegenüberliegenden Wärmeübertragerflächen angeordnet sind. Diese Reihen weisen miteinander eine Überlappung auf. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Solarkollektor bereitzustellen, der effizienter arbeitet und bei dem die Temperaturdifferenz zwischen Absorber- und Fluidtempe- ratur, insbesondere im Überhitzerteil von Direktverdampfungsreceivern, reduziert ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Sonnenkollektor der eingangs genannten Art gelöst, bei dem hinter dem Eintrittsquerschnitt mindestens eine Strömungsleiteinrichtung angeordnet ist, die im Wärmeträgermedium Wirbel erzeugt, die eine Verdünnung der thermischen Grenzschicht auf der dem Kollektorspiegel zugewandten Hälfte des Absorberrohrs und eine Verdickung der thermischen Grenzschicht auf der dem Kollektorspiegel abgewandten Hälfte des Absorberrohrs bewirken.

Das Absorberrohr wird in zwei Hälften unterteilt: Die Hälfte, die dem Kollektorspiegel zugewandt ist, wird durch die konzentrierte Sonnenstrahlung beheizt, während sich die dem Kollektorspiegel abgewandte Hälfte durch Mischkonvektion, also durch natürliche Konvektion und beispielsweise durch Wind erzwungene Konvek- tion abkühlt. Mithilfe der durch die Strömungsleiteinrichtung erzeugten Verdünnung der Grenzschicht auf der dem Kollektorspiegel zugewandten Hälfte und der Verdickung auf der dem Kollektorspiegel abgewandten Hälfte wird zum einen erreicht, dass im Bereich der Verdünnung der thermischen Grenzschicht der Wärmeübergangskoeffizient erhöht wird, und zum anderen, dass sich im Bereich der Verdickung der Grenzschicht eine verbesserte Isolation und ein reduzierter Wärmeverlust einstellen. Mithilfe dieser Strömungsleiteinrichtung kann der Solarkollektor effizienter betrieben werden, da die Temperaturdifferenz zwischen Ab- sorber- und Fluidtemperatur reduziert ist. Dadurch wird es ermöglicht, den Solar- koliektor mit einer höheren Fluidtemperatur zu betreiben, so dass sich der thermische Widerstand in der Grenzschicht reduziert.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Sonnenkollektors umfasst die Strömungs- leiteinrichtung ein Profilelement, dessen Basiskante dem Koliektorspiegel zuge- wandt ist und dessen Spitze dem Eintrittsquerschnitt zugewandt ist. Auf diese Weise wird die Bildung von Wirbeln gefördert, deren Längsachsen parallel zur Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums verlaufen und die Strömungen erzeugen, die im Bereich der Drehachse des Absorberrohres zum Kollektorspiegel hin und im Bereich der Innenwand des Absorberrohres vom Kollektorspiegel weg gerichtet sind. Diese Art von Strömungsverhältnissen innerhalb des Wärmeträgermediums führt zu einer deutlichen Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten, weshalb der Sonnenkollektor effektiver betrieben werden kann.

Eine vorteilhafte Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors, in dem das Absorberrohr eine Querschnittsfläche und das Profilelement eine projizierte Fläche aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass die projizierte Fläche zwischen 5 und 50% der Querschnittsfläche beträgt. Es hat sich herausgestellt, dass bei diesem Verhältnis zwischen Querschnittsfläche und projizierter Fläche die Bildung der gewünschten Ström ungsverhäitnisse im Wärmeträgermedium besonders begünstigt wird.

Vorzugsweise ist das Profilelement als Deltaprofil mit zwei unteren Ecken und einer oberen Ecke ausgebildet Unter Deltaprofilen sollen in diesem Zusammen- hang Profile mit einer Dreieckform verstanden werden, bei denen die Seiten vorzugsweise gerade sind (planares Dreieck). Allerdings sind hierunter auch Profile zu verstehen, die zumindest teilweise aus gewölbten Seiten oder Kanten bestehen, so dass die Form eines sphärischen Dreiecks entsteht. Deltaprofile haben sich als besonders günstig für die Ausbildung der gewünschten Strömungsver- hältnisse erwiesen. Diese liegen vorteilhafterweise mit den Ecken an der Innenfläche des Absorberrohrs an. Diese Anordnung ist fertigungstechnisch günstig herzustellen und unterstützt die Ausbildung der gewünschten Strömungsverhältnisse im Wärmeträgermedium im Absorberrohr. Insbesondere können die Ecken der Deltaprofile durch Schweißen mit dem Absorberrohr verbunden werden, wobei die Anzahl der Verbindungspunkte auf ein Minimum reduziert ist. Ferner ist es hier- durch auf einfache Weise möglich, einen Großteil der gewünschten Verhältnisse zwischen Querschnittsfläche und projizierter Fläche zu realisieren.

Bevorzugt weist das Deltaprofil eine Länge und eine Höhe auf, wobei die Länge das 2 bis 3.5-fache der Höhe beträgt. Auch hier hat sich dieses Verhältnis zwischen Höhe und Länge als besonders vorteilhaft zur Ausbildung der gewünschten Strömungsverhältnisse herausgestellt

Eine besonders vorteilhafte Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Sonnen- kollektors zeichnet sich dadurch aus, dass die Strömungsleiteinrichtung ein Bodenblech aufweist, das parallel zur Achse des Absorberrohrs im Strömungskanal angeordnet ist. Mithilfe des Bodenbleches können die Profiielemente bereits außerhalb des Absorberrohres vormontiert werden und müssen dann nur noch als gesamte Einheit in das Absorberrohr eingesetzt werden, was den Hersteliungs- aufwand deutlich verringert.

Ebenfalls hat es sich als günstig erwiesen, auf dem Bodenblech ein Deltaprofilel anzuordnen, dessen Basiskante kleiner oder gleich der Breite des Bodenblechs ist. Hierbei besteht die fertigungstechnische vorteilhafte Möglichkeit, die Anzahl der Verbindungsstellen zwischen der Strömungsleiteinrichtung und dem Absorberrohr zu reduzieren.

Ist die obere Ecke des Deltaprofiis beabstandet zur Innenfläche des Absorberrohrs angeordnet, ist es fertigungstechnisch möglich, die Strömungsleiteinrichtung ausschließlich mithilfe des Bodenbieiches mit dem Absorberrohr zu verbinden, was den Herstellungsprozess deutlich vereinfacht. Es besteht weiterhin die Möglichkeit, die Verbindung zwischen Absorberrohr und Strömungsleiteinrichtung form- oder reibschiüssig herzustellen, so dass die Strömungsleiteinrichtung bei Bedarf, etwa im Schadensfall, wieder aus dem Absorberrohr entnommen werden kann. Der erfindungsgemäße Sonnenkollektor wird dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass auf dem Bodenblech ein aufgestelltes Rechteckelement angeordnet ist. Auch diese Rechteckeiemente lassen sich fertigungstechnisch einfach herstellen und begünstigen die Ausbildung der gewünschten Strömungsverhältnisse im Wärmeträgermedium. Ferner eröffnen die Rechteckelemente die Möglichkeit, eine im Verhältnis zur Querschnittsfläche des Absorberrohres größere projizierte Fiäche zu realisieren, als es mit Deltaelementen in Form von planaren Dreiecken der Fall wäre.

Vorzugsweise beträgt der Anstellwinkel ß des Deltaprofils oder des Rechteckelementes 15 bis 45°. Dieser Bereich des Anstellwinkels ß hat sich für die Ausbildung der gewünschten Strömungsverhältnisse des Wärmeträgermediums als geeignet erwiesen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors ist auf dem Bodenblech ein Deltaprofilelementpaar mit Deltaprofilelementen oder ein Rechteckprofilpaar mit Rechteckprofilen angeordnet. Die Deltaelement- oder Rechteckprofilpaare sind besonders gut zur zielgerichteten Veränderung der Dicke der thermischen Grenzschichten geeignet.

Vorzugsweise weist das Deltaprofilelementpaar oder das Rechteckprofilpaar einen sich in Strömungsrichtung erweiternden Abstand auf (inflow pair) und das Bodenblech ist dem Koilektorspiegel zugewandt. Unter einem infiow pair ist ein Delta- element- oder Rechteckprofilpaar zu verstehen, dessen Abstand sich in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums vergrößert. In Verbindung mit der erfindungsgemäßen, dem Kollektorspiegel zugewandten Anordnung des Bodenbie- ches tritt der Effekt ein, dass die thermischen Grenzschicht auf der dem Koliek- torspiegel zugewandten Hälfte des Absorberrohrs verdünnt und auf der dem KoI- lektorspiegel abgewandten Hälfte des Absorberrohres verdickt wird. Derselbe Effekt wird erreicht, wenn das Deltaprofiielementpaar oder das Rechteckprofilpaar einen sich in Strömungsrichtung verringernden Abstand aufweist (outflow pair) und das Bodenblech dem Koilektorspiegel abgewandt ist. In diesem Fall verringert sich der Abstand des Deltaelementpaares in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums.

Vorzugsweise weisen die Deltaprofilelemente der Deltaprofilelementpaare oder die Rechteckprofiie des Rechteckprofilpaars einen Winkel γ von 15° bis 35° mit der Achse des Absorberrohrs auf. Dieser Winkelbereich hat sich für die Ausbildung der gewünschten Strömung im Wärmeträgermedium und insbesondere zur zuvor beschriebenen Verdickung bzw. Verdünnung der thermischen Grenzschicht als besonders effektiv erwiesen.

Vorzugsweise sind mindestens zwei Strömungsleiteinrichtungen in Strömungsrichtung hintereinander und im Abstand über die Länge des Absorberrohres gleichmäßig verteilt angeordnet. Da die Wirbel mit zunehmendem Abstand von den Strömungsleiteinrichtungen abklingen, müssen je nach Länge des Absorberrohres mehrere Strömungsleiteinrichtungen vorgesehen werden. Damit sich über die Länge des Absorberrohres eine möglichst gleichmäßige thermische Grenzschicht ausbilden kann, müssen die Strömungsleiteinrichtungen gleichmäßig im Absorberrohr verteilt angeordnet werden.

Vorzugsweise weist das Bodenblech eine Nut aufweist, in die eine Lötschnur eingelegt ist. Auf diese Weise kann die Strömungsleiteinrichtung auf einfache Weise mit dem Absorberrohr verbunden werden.

In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Strömungsleiteinrichtung in einem Einsatz angeordnet und der Einsatz in das Absorberrohr einsetzbar. Die Strömungsleiteinrichtung kann vor dem eigentlichen Einsetzen in das Absorberrohr im Einsatz vormontiert und positioniert werden. Der Einsatz hat vorzugsweise etwa dieselbe axiale Erstreckung wie die Strömungsleiteinrichtung. Dies ist aus fertigungstechnischer Sicht deshalb vorteilhaft, da der Einsatz besser zugänglich ist als das lange Absorberrohr. Der vormontierte Einsatz kann mit einem Greifer in das Absorberrohr eingesetzt und mit diesem befestigt werden.

Vorzugsweise ist der Einsatz rohrförmig ausgestaltet. Der Außendurchmesser des Einsatzes kann dem Innendurchmesser des Absorberrohres in etwa entsprechen, so dass der Einsatz in radialer Richtung in seiner Position bereits festgelegt ist. Die axiale Position kann beispielsweise durch Schweißpunkte festgelegt werden, wobei wenige Schweißpunkte ausreichen, so dass die Montage vereinfacht wird. Eine reib- oder formschlüssige Verbindung ist ebenfalls möglich.

Vorzugsweise ist das Wärmeträgermedium ein Gas, insbesondere Wasserdampf. Es hat sich herausgestellt, dass sich die Strömung im Wärmeträgermedium insbesondere dann wie gewünscht einstellen lässt, wenn das Wärmeträgermedium Gas ist. Dabei ist Wasserdampf aufgrund seiner kostengünstigen Verfügbarkeit und seiner gut kontrollierbaren Handhabbarkeit und Nichttoxizität besonders bevorzugt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Sonπenkollektors,

Figur 2 eine Querschittsdarstellung durch ein Absorberrohr, in dem die sich erfindungsgemäß einstellenden Strömungen gezeigt sind,

Figur 3 eine Querschnittsdarstellung durch ein Absorberrohr mit erfindungsge- mäßen Ausgestaltungen von Strömungsleiteinrichtungen, Figur 4 eine Längsschnittsdarstellung durch ein Absorberrohr und eine darin befestigte Strömungsieiteinrichtung entlang der in Figur 3 definierten Schnittebene A-A,

Figur 5 eine Querschnittsdarstellung durch ein Absorberrohr mit weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltungen der Strömungsleiteinrichtungen,

Figur 6 eine Strömungsleiteinrichtung in einer perspektivischen Darstellung,

Figur 7 eine Längsschnittsdarstellung durch die in Figur 6 dargestellte Strömungsleiteinrichtung,

Figur 8 eine Querschnittsdarstellung durch ein Absorberrohr mit noch weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltungen der Strömungsleiteinrichtungen,

Figur 9 eine Längsschnittsdarstellung durch die in Figur 8 dargestellte Strömungsleiteinrichtung entlang der Schnittebene B-B der Fig. 8,

Figur 10 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strömungsleiteinrichtung,

Figur 11 eine Querschnittsdarstellung durch ein Absorberrohr mit einer noch weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Strömungsleiteinrichtungen,

Figur 12 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strömungsleiteinrichtung und Figur 13 eine Querschnittsdarstellung durch ein Absorberrohr mit einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Strömungsleiteinrichtungen.

in Figur 1 ist ein Sonnenkollektor 1 der bekannten Art dargestellt. Der Sonnenkol- lektor 1 umfasst einen Kollektorspiegel 2, welcher die Sonneneinstrahlung 4 reflektiert und die reflektierte Strahlung 6 auf ein Absorberrohr 10 richtet. Der Kollektorspiegel 2 ist rinnenförmig ausgestaltet, so dass er eine Brennlinie erzeugt, in dessen Zentrum eine Längsachse 15 des Absorberrohres 10 verläuft.

Aufgrund der rinnenförmigen Ausgestaltung des Kollektorspiegels 2 wird das Absorberrohr 10 in eine dem Kollektorspiegel 2 zugewandte Hälfte 12 und eine diesem abgewandte Hälfte 14 unterteilt.

Das Absorberrohr 10 wird von einem Wärmeträgermedium durchströmt, welches durch einen Eintrittsquerschnitt 16 in das Absorberrohr 10 eintritt und durch einen Austrittsquerschnitt 18 aus diesem austritt, so dass das Absorberrohr 10 mit seiner Innenwand 22 (vgl. Figur 2) einen Strömungskanal 20 bildet. Die Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums ist durch die Pfeile P angedeutet.

Die dem Kollektorspiegel 2 zugewandte Hälfte 12 des Absorberrohres 10 wird durch die konzentrierte Sonnenstrahlung erhitzt, wodurch das Wärmeträgermedium ebenfalls erhitzt wird. Die erreichbare Temperatur beträgt ca. 400⁰C. Das erhitzte Wärmeträgermedium wird einem hier nicht näher dargestellten Verdamp- fungsprozess zugeführt, in dem elektrische Energie gewonnen wird.

Die dem Koilektorspiegel 2 abgewandte Hälfte 14 des Absorberrohres 10 wird durch Mischkonvektion, also durch natürliche Konvektion und beispielsweise durch Wind erzwungene Konvektion abgekühlt, was zu Wärmeverlusten führt und daher den Erhitzungsprozess des Wärmeträgermediums verschlechtert. In Figur 2 ist das Absorberrohr 10 im Querschnitt und die sich darin erfindungsgemäß einstellende Strömung des Wärmeträgermediums gezeigt. Die Linie auf der Mantelfläche des Absorberrohres 10, die den weitesten Abstand vom Kollektorspiegel 2 hat, wird als oberer Scheitel 24, die Linie auf der Mantelfläche, die den kürzesten Abstand zum Absorberrohr 10 aufweist, als unterer Scheitel 26 definiert.

Erfindungsgemäß werden Wirbel 30 im Wärmeträgermedium erzeugt, die in einen rechtsdrehenden 32 und einen linksdrehenden Wirbel 34 unterteilt werden kön- nen. Dabei bildet sich eine thermische Grenzschicht 36 aus, die erfindungsgemäß im Bereich des oberen Scheitels 24 eine Verdickungszone 38 und im Bereich des unteren Scheitels 26 eine Verdünnungszone 40 bildet. Eine Verdünnung der thermischen Grenzschicht 36 bewirkt, dass der Wärmeübergangskoeffizient erhöht wird, so dass sich das Wärmeträgermedium umfangreicher und effektiver erhitzen iässt. Eine Verdickung der Grenzschicht 36 bewirkt hingegen durch eine entsprechende Verschlechterung des Wärmeübergangskoeffizienten eine verbesserte Isolation, so dass sich die Wärmeverluste reduzieren.

in Figur 3 sind mehrere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Strömungs- leiteinrichtung 60 dargestellt, welche zur Ausbildung der in Figur 2 dargesteilten Strömung des Wärmeträgermediums dienen.

In einer ersten Ausführungsform ist die Strömungsleiteinrichtung 60 als ein Deita- profil 62' mit einer Basiskante 70, sich hierin anschließenden zwei unteren Ecken 64, 66 und einer der Basiskante 70 gegenüberliegenden oberen Ecke 68 ausgebildet.

Die beiden unteren Ecken sind mit dem Absorberrohr 10 etwa durch Schweißpunkte verbunden, während die obere Ecke 68 nicht an der Innenwand 22 des Absorberrohres 10 befestigt ist. In einer zweiten Ausführungsform ist die Strömungsleiteinrichtung 60 ebenfalls als ein Deltaprofil 62" ausgebildet, weiches hier aber auch an der oberen Ecke 68 mit dem Absorberrohr 10 verbunden ist. In den dargestellten Ausführungsformen bilden die Deltaprofile 62' und 62" gleichschenklige Dreiecke, wobei aber auch andere Varianten denkbar sind.

In einer dritten Ausführungsform ist die Strömungsleiteinrichtung 60 als Rechteck 63 mit einer oberen Kante 72 gestaltet, welches an allen Ecken an der Innenwand 22 des Absorberrohres 10 befestigt ist.

Die gesamte Querschnittsfläche des Absorberrohrs 10 ist mit A_ges eingezeichnet, die jeweils projizierten Flächen der Profilelemente werden durch AD', AD" und AD'" gekennzeichnet. Ferner sind auch die Höhen hi und hi₂ der Profilelemente 62' und 63 eingezeichnet.

In Figur 4 ist die zweite Ausführungsform 62" der Strömungsleiteinrichtung 60 aus Figur 3 in einer Schnittdarstellung entlang der in Figur 3 definierten Schnittebene A-A gezeigt. Das Deltaprofi! 62" schließt mit der Längsachse 15 des Absorberrohres 10 einen Anstellwinkel ß ein, der bezogen auf die Strömungsrich- tung P des Wärmeträgermediums gegen den Uhrzeigersinn gemessen wird und in einer Ebene verläuft, die wiederum in Wirkrichtung der Schwerkraft g verläuft. Ferner ist in Figur 4 die Länge I und die Höhe h des Dettaprofils erkennbar.

Die in Figur 5 dargestellten Ausführungsformen der Strömungsleiteinrichtung 60 sind ebenfalls als Deltaprofile 62', 62" und 62'" ausgestaltet, weisen aber zusätzlich noch ein Bodenblech 80 auf. Dieses Bodenblech 80 ist mit einer Randnut 82 versehen, in dem eine Lötschnur 84 verläuft. Weiterhin die Strömungsleiteinrichtung 60 als Rechteck 63 mit Bodenblech ausgestaltet. In Figur 6 ist die in Figur 5 dargestellte Ausführungsform 62' der Strömungsleiteinrichtung 60 perspektivisch gezeigt, während sie in Figur 7 mithiife einer Längsschnittdarstellung illustriert ist. Auch in diesem Fall schließt das Deltaprofil 62' den Anstellwinkel ß ein, hier allerdings bezogen auf das Bodenblech 80. Entsprechen- de Ausgestaltungen sind selbstverständlich auch für die anderen Deltaproflile 62" und 62'" sowie für das Rechteck 63 denkbar.

In Figur 8 ist eine weitere Ausführungsform der Strömungsleiteinrichtung 60 im Querschnitt dargestellt. Hier umfasst die Strömungsleiteinrichtung 60 zwei Delta- profiielemente 94' und 96' bzw. 94" und 96", im Folgenden als Deltaprofilpaar 90 bezeichnet, die mit ihrer Basiskante 70 auf dem Bodenblech 80 befestigt sind, allerdings im dargestellten Beispiel keine gleichschenkligen Dreiecke bilden. Wie insbesondere aus Figur 9 ersichtlich, unterscheiden sich die Deltaprofilelemente 94' und 96' bzw. 94" und 96" im Wesentlichen dadurch, dass sie einen unter- schiediichen Steigungswinkel γ' bzw. γ" aufweisen. Mit steigendem Steigungswinkel γ erhöht sich bei gleichbleibender horizontaler Erstreckung die vertikale Erstreckung der Deitaprofilelemente 94 und 96, so dass sie auch in die dem Kollektorspiegel 2 abgewandte Hälfte 14 des Absorberrohres 10 hineinragen können, wie dies bei den Deltaprofilelementen 94" und 96" der Fall ist.

Weiterhin sind in den Figuren 8 und 9 zwei Rechteckprofile 95, 97 dargestellt, die ein Rechteckprofilpaar 93 bilden.

Die beiden Deltaprofilelemente 94' und 96' bzw. 94" und 96" sind so angeordnet, dass sich ihr Abstand zueinander in Strömungsrichtung P des Wärmeträgermediums vergrößert (vgl. Figur 10). Dadurch schließen sie einen Winkel δ ein, der in der vom Bodenblech 80 definierten Ebene verläuft und von einer gedachten Verlängerungslinie D der Basiskante 70 mit einer Längsachse 81 des Bodenbiechs 80 definiert wird (vgl. Figur 10) und der mathematisch positiv gegen den Uhrzeiger- sinn gezählt wird. In diesem Fall, in dem sich der Abstand zwischen den beiden Deltaprofilelementen in Strömungsrichtυng vergrößert, liegt eine sogenannte inflow-Konfiguration vor. Der Winkel δ beträgt in dieser Konfiguration entsprechend der obigen Definition zwischen 0° und 90°. Das Bodenblech 80 ist in der dem Kollektorspiegel 2 zugewandten Hälfte 12 des Absorberrohres 10 angeord- net.

Auch die Rechteckprofile 95, 97 sind so angeordnet, dass sich ihr Abstand in Strömungsrichtung P des Wärmeträgermediums vergrößert. Sie schließen ebenfalls den Winkel δ ein (nicht dargestellt, aber sinngemäß wie in Figur 10). Ihr Effekt auf die Strömung des Wärmeträgermediums ist im Wesentlichen identisch zu dem, welchen die Deltaprofiielemente 94 und 96 erzeugen.

In den Figuren 9 und 10 ist diese Ausführungsform der Strömungsleiteinrichtung 60 in einer Längsschnittdarstellung bzw. perspektivisch gezeigt. Die durch das Deltaprofilpaar 90 erzeugten Wirbel sind in Figur 10 gut zu sehen, wiederum ein rechtsdrehender und ein linksdrehender Wirbel, die im Bereich der Längsachse 81 des Bodenblechs 80 zum Kollektorspiegel 2 hin gerichtet sind.

In den Figuren 11 und 12 sind die beiden Deitaprofilelemente 94' und 96' bzw. 94" und 96" in einer outflow-Konfiguration angeordnet und bilden ein Deltaprofilpaar 92. Auch hier unterscheiden sich die Deltaprofilelemente 94' und 96' bzw. 94" und 96" dadurch, dass sie einen unterschiedlichen Steigungswinkel γ aufweisen. Hier erstrecken sich die Deltaprofilelemente 94" und 96" in die dem Kollektorspiegel 2 zugewandte Hälfte 12 des Absorberrohres 10.

Der Winkel δ beträgt hier gemäß obiger Definition zwischen 0° und -90°, so dass sich der Abstand der beiden Deltaprofiielemente 94 und 96 in Strömungsrichtung P des Wärmeträgermediums gesehen verringert. Diese Konfiguration bewirkt, dass sich die entstehenden Wirbel genau anders herum drehen. Um dennoch die gewünschte Verdickung oder Verdünnung der thermischen Grenzschicht 36 in der jeweils richtigen Hälfte des Absorberrohres 10 erzeugen zu können, ist es in diesem Fall notwendig, die Strömungsleiteinrichtung 60 um 180° gedreht anzuordnen, so dass sich das Bodenblech 80 in der dem Kollektorspiegel 2 abgewandten Hälfte 14 des Absorberrohres 10 befindet

In Figur 13 ist ein weiteres Ausführungsbeispiei gezeigt. Hier ist die Strömungsleiteinrichtung 60 in einem rohrförmigen Einsatz 100 vormontiert, in diesem Ausführungsbeispiei ist das in den Figuren 8 bis 10 gezeigte Ausführungsbeispiel der Strömungsieiteinrichtung 60 in den Einsatz 100 eingebaut, es können aber sämtli- che andere Ausführungsbeispieie genauso vormontiert werden. Der Einsatz 100 muss dabei nicht rohrförmig sein, sondern kann einen beliebigen, beispielsweise einen quadratischen oder mehreckigen Querschnitt haben. Im dargestellten Beispiel entspricht der Außendurchmesser des Einsatzes 100 dem Innendurchmesser des Absorberrohres 10, so dass der Einsatz 100 nach dem Einschieben in das Absorberrohr 10 in seiner radialen Position festgelegt wird. Mit drei Schweißpunkten 102', 102" und 102"¹ wird die axiale Position des Einsatzes 100 am Absorberrohr 10 festgelegt, wobei die Schweißpunkte 102 auch der Festlegung der radialen Position dienen können.

Bezugszeicheniiste

1 Sonnenkoliektor

2 Kollektorspiegel 4 Sonneneinstrahlung

6 reflektierte Strahlung

10 Absorberrohr

12 dem Spiegel zugewandte Hälfte des Absorberrohrs 14 dem Spiegel abgewandte Hälfte des Absorberrohrs

15 Längsachse

16 Eintrittsquerschnitt 18 Austrittsquerschnitt

20 Strömungskanal

22 Innenwand

24 oberer Scheitel

26 unterer Scheitel

30 Wirbel

32 rechtsdrehender Wirbel

34 linksdrehender Wirbei

36 thermische Grenzschicht

38 Verdickungszone 40 Verdünnungszone

60 Strömungsleiteinrichtung

62 Deltaprofil

62' Deltaprofii 63 Rechteck 64 untere Ecke

66 untere Ecke

68 obere Ecke

70 Basiskante

72 obere Kante

80 Bodenblech

81 Längsachse des Bodenbleches

82 Rand n ut

84 Lötschnur

90 Deltaprofilpaar (infiow pair)

92 Deltaprofilpaar (outflow pair)

93 Rechteckprofilpaar 94, 94', 94" linkes Deltaprofälelement

96, 96', 96" rechtes Deltaprofilelement

95, 97 Rechteckprofile

100 Einsatz 102 Schweißpunkte

D Verlängerungsiiπie eines Deltaprofilelements entlang seiner Basiskante

P Pfeil zur Darstellung der Strömungsrichtung des Wärmeträgermedi- ums

ß Anstellwinkel γ', γ" Steigungswinkel δ Winkel

Claims

Patentansprüche

1. Sonnenkollektor (1 ), der mindestens einen Kollektorspiegel (2) und mindes- tens ein Absorberrohr (10) aufweist, wobei das Absorberrohr (10) mindestens einen von einem Wärmeträgermedium von einem Eintrittsquerschnitt (16) zu einem Austrittsquerschnitt (18) durchströmbaren Strömungskanal (20) aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

dass hinter dem Eintrittsquerschnitt (16) mindestens eine Strömungsleiteinrichtung (60) angeordnet ist, die im Wärmeträgermedium Wirbel (30, 32, 34) erzeugt, die eine Verdünnung der thermischen Grenzschicht (36) auf der dem Kollektorspiegel (2) zugewandten Hälfte (12) des Absorberrohrs (10) und eine Verdickung der thermischen Grenzschicht (36) auf der dem Koilek- torspiegel (2) abgewandten Hälfte (14) des Absorberrohrs (10) bewirken.

2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleiteinrichtung (60) ein Profilelement (62) umfasst, dessen Basiskante (70) dem Kollektorspiegel (2) zugewandt ist und dessen obere Kante (72) dem Eintrittsquerschnitt (16) zugewandt ist.

3. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Absorberrohr (10) eine Querschnittsfläche (A_ges) und das Profilelement eine projizierte Fläche AD aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die projizierte Fläche AD zwischen 5 und 50% der Querschnittsfläche (A_ges) beträgt.

4. Sonnenkoilektor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Profiiθiement als Deltaprofil (62) mit zwei unteren Ecken (64, 66) und einer oberen Ecke (68) ausgebildet ist.

5. Sonnenkollektor nach Anspruch 4, wobei das Deltaprofil (62) eine Länge (I) und eine Höhe (h) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (I) das 2 bis 3,5-fache der Höhe (h) beträgt.

6. Sonnenkollektor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Deltaprofil (62) mit den Ecken (64, 66, 68) an der Innenfläche (20) des

Absorberrohrs (10) anliegt.

7. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleiteinrichtung (60) ein Bodenblech (80) auf- weist, das parallel zur Achse des Absorberrohrs (10) im Strömungskanal (20) angeordnet ist.

8. Sonnenkoilektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Bodenblech (80) ein Deltaprofil (62') angeordnet ist, dessen Basiskante (70) ≤der Breite des Bodenblechs (80) ist.

9. Sonnenkollektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (68) des Deltaprofil (62') beabstandet zur Innenfläche (22) des Absorberrohrs (10) angeordnet ist.

10. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet dass auf dem Bodenblech (80) ein aufgestelltes Rechteckelement (63) angeordnet ist.

11. Sonnenkoilektor nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet dass der Anstellwinkel ß des Deltaprofils (62, 62') oder des Rechteckelementes 15 bis 45° beträgt.

12. Sonnenkollektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Bodenblech (80) ein Deltaprofilelementpaar (90, 92) mit Deltaprofilelementen (94, 96) oder ein Rechteckprofilpaar (93) mit Rechteckprofilen (95, 97) angeordnet ist.

13. Sonnenkollektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Deltaprofilelementpaar (90, 92) oder das Rechteckprofilpaar (93) einen sich in Strömungsrichtung erweiternden Abstand aufweist und dass das Bodenblech (80) dem Kollektorspiegel (2) zugewandt ist.

14. Sonnenkollektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Deltaprofilelemeπtpaar (90, 92) oder das Rechteckprofilpaar (93) einen sich in Strömungsrichtung verringernden Abstand aufweist und dass das Boden- biech (80) dem Kollektorspiegel (2) abgewandt ist.

15. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Deltaprofiieiemente (94, 94', 96, 96') der Paare (90, 92) oder die Rechteckprofile (95, 97) des Rechteckpaarprofils (93) einen Winkel δ von 15° bis 35° mit der Achse des Absorberrohrs (10) aufweisen.

16. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Strömungsleiteinrichtungen (60) in Strömungsrichtung hintereinander über die Länge des Absorberrohres (10) gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

17. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenblech (80) eine Nut (82) aufweist, in die eine Lötschnur (84) eingelegt ist.

18. Sonnenkoliektor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleiteinrichtung (60) in einem Einsatz (100) angeordnet und der Einsatz (100) in das Absorberrohr (10) einsetzbar ist.

19. Sonnenkollektor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (100) rohrförmig ausgestaltet ist.

20. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Wärmeträgermedium ein Gas, insbesondere Wasserdampf ist.