WO2023049950A1 - Vorrichtung zum photothermischen beheizen eines wärmeenergiewandlers - Google Patents

Vorrichtung zum photothermischen beheizen eines wärmeenergiewandlers Download PDF

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WO2023049950A1
WO2023049950A1 PCT/AT2022/060342 AT2022060342W WO2023049950A1 WO 2023049950 A1 WO2023049950 A1 WO 2023049950A1 AT 2022060342 W AT2022060342 W AT 2022060342W WO 2023049950 A1 WO2023049950 A1 WO 2023049950A1
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thermal
contact point
thermal contact
light
energy
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PCT/AT2022/060342
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English (en)
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Inventor
Alireza ESLAMIAN
Martin SCHIFKO
Original Assignee
Ess Holding Gmbh
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    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S20/00—Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
    • F24S20/60—Solar heat collectors integrated in fixed constructions, e.g. in buildings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/10—Prisms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/30—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with lenses
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S30/00—Arrangements for moving or orienting solar heat collector modules
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    • F24S30/42—Arrangements for moving or orienting solar heat collector modules for rotary movement with only one rotation axis
    • F24S30/425—Horizontal axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S60/00—Arrangements for storing heat collected by solar heat collectors
    • F24S60/10—Arrangements for storing heat collected by solar heat collectors using latent heat
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/40—Thermal components
    • H02S40/44—Means to utilise heat energy, e.g. hybrid systems producing warm water and electricity at the same time

Definitions

  • the invention relates to a device for photothermal heating of a thermal energy converter with a light-transmitting collector opening, a thermal contact point of the thermal energy converter and an intermediate optical element.
  • thermoelectric generators as thermal energy converters
  • LIS20210202816A1 shows such a device in which a solar concentrator directs sunlight directly onto the hot side using optical elements such as mirrors or lenses, bundles infrared radiation onto a heat collector or couples it into a fiber optic cable.
  • the heat collected in the heat collector is used to heat air, which is used to heat the hot side of the Seebeck element to generate electricity.
  • the collected light can be coupled into the fiber optic cable and directed to the hot side.
  • the invention is therefore based on the object of extracting the energy of at least one frequency range with structurally simple means and with as little energy loss as possible and to continue to make the light of the complementary frequency ranges usable without necessarily providing different extraction methods adapted to the respective frequency range.
  • the invention achieves the stated object in that between the collector opening and an emitter opening located opposite the collector opening in a main propagation direction of the incident light there extends an interior space which is at least partially reflective transversely to the main propagation direction and is delimited by the thermal contact point running in the main propagation direction and in which the the light is arranged partly reflecting towards the thermal contact point and partly transmitting towards the emitter opening.
  • the light penetrates the device via the collector opening along the main propagation direction and hits the optical element, which, due to its material and its arrangement in the optical path, reflects the high-frequency component of the light to the thermal contact point, while the low-frequency component of the light is reflected is transmitted to the emitter opening.
  • the high-frequency component After reflection, the high-frequency component hits the thermal contact point, where the energy stored in the light is released to the thermal contact point in the form of heat. There If the direction of the high-frequency component changes more sharply than the low-frequency component when it hits the optical element due to diffraction, refraction, reflection, etc. in relation to the main propagation direction, the thermal contact point runs in the main propagation direction, since the effective cross section of the thermal contact point is in the optical path of the high-frequency light is increased.
  • the optical element is preferably designed in such a way that the portion of the light reflected onto the thermal contact point is bundled when it strikes the thermal contact point, in order to bring about a strong local temperature increase.
  • the low-frequency portion of the light is transmitted in the direction of the emitter opening, where, for example, energy can be extracted with a further device or exit from the device.
  • the device Due to the arrangement of the collector opening, the opposite emitter opening and the thermal contact point running in the main direction of propagation, the device can be designed to be translucent in the main direction of propagation, so that a part of the light running in the main direction of propagation can pass through the device and exit again. This allows the device to be integrated into transparent surfaces, such as glass doors, windows or facades, so that these surfaces can be used for energy generation.
  • several devices according to the invention can be connected in series in this way.
  • the interior can be arranged within a compact housing, which is preferably thermally insulated from the outside.
  • the optical element can be, for example, a prism or a semi-transparent mirror.
  • the incident light can be divided into high- and low-frequency components depending on the light source and the materials used and does not have to be an absolute classification; it is only important that the high-frequency component of the light is in a higher frequency spectrum than the low-frequency component. It is self-evident that the spectrum of light visible to the human eye is not necessarily the only concern, but that infrared and ultraviolet radiation, for example, are also included in the use of the term “light” according to the invention.
  • the term thermal energy converter is any device meant that can convert the thermal energy obtained with the device into another form of energy.
  • the thermal energy converter can therefore be a thermoelectric generator, for example.
  • This thermoelectric generator can be a Seebeck element, which converts thermal energy into electrical energy.
  • the thermal energy can be used to generate steam and operate a turbine, so that the thermal energy is converted into mechanical and optionally subsequently into electrical energy.
  • the optical element does not necessarily lie in the optical path of all incident light beams, only part of the incident light can be reflected or transmitted according to the invention.
  • the free inner wall of the interior space be designed to be reflective.
  • the portion that is not directly used is fed back into the interior without using complicated optical elements and, unless it is unintentionally diverted out of the device, either hits the optical element, the thermal contact point or is reflected into the emitter opening. In this way, the undesired absorption of that part of the light which does not shine directly onto the optical element is reduced by the device and a larger part of the incident light becomes usable.
  • the free inner wall is the inner wall that is not formed by built-in components such as the thermal contact point or shaded by such built-in components. This free inner wall can consequently be provided with the largest possible reflective surface without impairing other components of the device, such as the thermal contact point.
  • the optical element in the interior can be surrounded at least in sections by a heat accumulator.
  • the low-frequency component of the light in particular is transmitted into the heat accumulator after it has left the optical element, where it releases its energy as thermal energy.
  • the heat accumulator is thermally conductively connected to the thermal contact point, so that the thermal energy absorbed in the heat accumulator can be released to the thermal contact point.
  • the heat accumulator still gives off its stored heat energy to the thermal contact point when no more light is shining through the collector opening, so that the heat energy converter can continue to be operated in this case because the heat energy absorbed by the heat accumulator is delivered to the thermal contact point of the thermal energy converter even without incident light.
  • the heat accumulator is translucent, so that the device is still translucent in the main direction of propagation, despite the heat accumulator.
  • water can be used to store heat.
  • the water can be filled into the interior and the collector and the emitter opening can be sealed with a translucent material, such as a translucent plastic plate.
  • At least one inner wall of the interior is preferably connected to the heat accumulator in a thermally conductive manner in order to make the energy absorbed by the inner wall usable as well.
  • the heat accumulator is translucent, the optical element can also be completely surrounded by the heat accumulator.
  • the free interior space i.e. the interior space with the exception of the optical element and any other built-in components, be completely filled with the heat accumulator. Since, as a result of these measures, the largest possible volume of the interior is filled with heat storage, more heat energy can obviously also be stored.
  • the optical element can be connected directly to the collector opening and/or to the thermal contact point, so that the high-frequency component of the light is reflected onto the thermal contact point and not directed into the heat accumulator.
  • a heat accumulator can be selected whose material only minimally influences the high-frequency component in terms of its beam path and its intensity.
  • the thermal contact point can still be heated with the heat energy stored in the heat accumulator even when no more light is shining through the collector opening.
  • the period over which the stored thermal energy is released can be further increased if the heat store is a latent heat store. Since the thermal energy supplied to the latent heat storage device is used not only for a temperature increase but also for a phase transition from a phase of lower energy to a phase of higher energy, thermal energy can continue to be supplied from a certain phase transition temperature in a transition area without causing a further increase in temperature.
  • the latent heat storage slowly releases the energy that is released during the transition from the higher energy phase to the lower energy phase, since the phase transition and thus the transfer of the latent heat to the thermal contact point via a can extend over a longer period of time.
  • More light can be directed into the device, thereby increasing efficiency, if the collector aperture has a converging lens for incident light.
  • a converging lens has a larger surface area over which light can be directed into the device compared to a planar surface of the same cross-section.
  • the maximum angle of incidence of light that can be directed into the device can be affected with the aperture of the condenser lens. Since the beam path can be influenced via a converging lens, the incident light can be directed directly onto the optical element.
  • the collector opening preferably has a plurality of converging lenses arranged in a grid, so that the beam path of the incident light can be defined largely independently of the location at which the light strikes the collector opening.
  • the device can be designed as compact as possible in combination with the thermal energy converter if the thermal energy converter comprises a Seebeck element, preferably several Seebeck elements, whose heated end forms the thermal contact point or is thermally conductively connected to it.
  • the thermal energy converter comprises a Seebeck element, preferably several Seebeck elements, whose heated end forms the thermal contact point or is thermally conductively connected to it.
  • Seebeck elements have large-area heated ends with low thicknesses.
  • the heated end as a thermal contact point of a Seebeck element already forms a large irradiation cross-section for the reflected light and can therefore easily absorb energy without further modifications.
  • the small thickness of the Seebeck element, running orthogonally to the heated end thus enables a compact combination of thermal energy converter and the device.
  • the Seebeck element or elements can be arranged outside of the device and can therefore be replaced more easily.
  • the cold end of the Seebeck element or the Seebeck elements can be cooled, for example, via cooling fins and/or fans, or connected to the ground as a heat sink.
  • a Seebeck element is a thermal energy converter that uses the Seebeck effect to generate electricity from a temperature difference and is similar to a Peltier element can be constructed. Since Seebeck elements are usually compact, it is advisable to connect several Seebeck elements to the thermal contact point in a thermally conductive manner in order to increase the energy yield of the device.
  • the thermal energy converter can include a reservoir for an energy carrier fluid, which is thermally conductively connected to the thermal contact point.
  • the heat energy transferred to the thermal contact point is fed via the thermal line to the reservoir and thus to the energy carrier fluid, which heats up.
  • This heated energy carrier fluid already serves as a heat accumulator, so that energy can still be converted even when no more light is entering the device.
  • a heat engine or one or more Seebeck elements, for example, can subsequently be operated with the heated fluid.
  • the supplied heat cannot be completely converted into mechanical energy, part of the supplied heat remains in the energy carrier fluid. In contrast to other energy stores, however, this can be easily transported, for example by being pumped through tubes, with which the waste heat can be used to operate a heating system, for example.
  • the energy carrier fluid is water.
  • the thermal energy converter include a steam turbine.
  • the energy carrier fluid can be further heated via the phase transition from liquid to gaseous, as a result of which the energy density of the energy carrier fluid can be increased.
  • the gas can subsequently be used to operate a steam turbine, with the waste heat from the energy carrier fluid also being used in both Aggregate states can be further used.
  • water is preferably used as the energy carrier fluid.
  • the incident light can be divided particularly easily into the low-frequency and high-frequency components and forwarded accordingly if the optical element is a prism which has a surface facing the collector opening and a surface facing the thermal contact point.
  • the dispersive behavior of the prism is exploited and the light can be divided by a simple and easy-to-manufacture optical element via the angle of incidence and the frequency-specific refractive index.
  • the beam path can be easily optimized via the position of the prism in the interior through testing, calculation or simulation.
  • the inclination of the prism with respect to the main direction of incidence can be adjusted.
  • the prism can be rotatably mounted.
  • the prism preferably has a triangular base area, with the area facing neither the collector opening nor the thermal contact area running at an angle to the main propagation direction. This surface can thus preferably face the emitter opening.
  • the amount of energy that can be extracted from the incident light with a constant size of the collector opening can be increased by combining several devices to form a thermal power plant, in which the emitter opening of one device connects to the collector opening of a device downstream in the main propagation direction.
  • the interiors of the individual devices of the thermal power plant form a large common interior area, with the light only being able to escape through the collector opening of the first device and the emitter opening of the last device, regardless of the number of combined devices and thus the size of this interior area. Consequently, when multiple devices are combined, the volume of the interior increases while the exit area bounded by the collector opening and the emitter opening remains the same.
  • the combination of several thermal power plant devices according to the invention can thus increase the probability of the light being present in the thermal power plant, and thus the energy that can be drawn.
  • the probability of presence can be further increased by the last device in the thermal power station being followed by a reflecting or absorbing wall, so that the light cannot leave the thermal power station via the last emitter opening. If at least one device with a heat accumulator is provided in the power plant, this can absorb the heat energy of the low-frequency light.
  • the optical elements of the combined devices can be designed in such a way that the low-frequency components, which are directed less in the direction of the thermal contact point compared to the high-frequency component of the light, are also guided successively by diffraction, refraction, reflection by arranging several devices in the main propagation direction and their optical elements , etc. are directed further and further in the direction of the thermal contact points, where they emit heat energy.
  • the optical elements of successive devices in the thermal power plant can have a different refraction, reflection or diffraction behavior, so that in the main direction of propagation successively lower-frequency components of the incident light are diverted to the thermal contact points.
  • the thermal power plant can be a thermoelectric power plant, for example.
  • an energy carrier fluid such as water
  • the thermal contact points of at least two devices are thermally conductively connected to a common reservoir for an energy carrier fluid.
  • the energy carrier fluid can not only be tempered more evenly, namely by convection within the reservoir, but heat losses are also minimized, since a common reservoir clearly has less surface area over which heat can radiate unused than several small reservoirs.
  • Show it 1 shows a schematic section through a device according to the invention in a first embodiment with selected beam paths of incident light beams
  • FIG. 2 shows a schematic section through a thermal power plant comprising two devices of the first embodiment arranged one behind the other with respect to the main propagation direction,
  • FIG. 3 shows a schematic section through a device according to the invention in a second embodiment with selected beam paths of incident light beams and
  • FIG 4 shows a schematic section through a thermal power plant comprising two devices of the second embodiment arranged one behind the other with respect to the main propagation direction.
  • a device for photothermal heating of a thermal energy converter comprises a transparent collector opening 1, via which light radiates along a main propagation direction 2 into the interior space 4 adjoining the collector opening 1 and delimited by at least one thermal contact point 3 of the thermal energy converter.
  • An optical element 5, such as a prism, is arranged in the interior space.
  • the collector opening 1 is opposite an emitter opening 6 in the main propagation direction 2 , the optical element 5 being arranged in the main propagation direction 2 between the collector opening 1 and the emitter opening 6 .
  • the device shown is translucent in the main direction of propagation 2 and can therefore be installed in windows or other transparent objects, for example.
  • the interior 4 is designed to be reflective at least in sections, with the free inner wall 7, i.e. the inner wall, which is not covered by built-in components such as the thermal contact point 3 is formed or shaded by such installations, designed to be reflective. As a result, this light passing by can be deflected into the emitter opening 3 in a preferred manner.
  • the incident light is made up of several components from different frequency ranges.
  • the optical element 5 is designed in such a way that the optical path of the components of the light differs depending on the frequency. If the optical element 5 is a prism, for example, as shown in the drawing, the transmission and reflection behavior of the light components on the surfaces of the prism is different, as can be seen in the beam paths 8 . According to the invention, higher-frequency components of the light are reflected to the thermal contact point 3, where they emit thermal energy for the thermal energy converter. The thermal energy converter then converts the thermal energy into another form of energy.
  • the optical path of low-frequency components is less affected with respect to the main propagation direction 2 and is transmitted to the emitter opening 6, where the light can be used for a further purpose, for example for illuminating an area or for further energy extraction.
  • the optical element 5 is surrounded by a heat store 9 in the interior 4 , the low-frequency component of the light in particular can already be used before it leaves the device via the emitter opening 6 .
  • Advantageous energy storage conditions also result when the free interior space is filled, preferably completely, with the heat storage device 9 .
  • the heat accumulator 9 is thermally conductively connected to the thermal contact point 3 so that it also heats the thermal contact point 3 in order to operate the thermal energy converter.
  • the collector opening 1 can have converging lenses 10, which allow more favorable angles of incidence due to their surface and aperture.
  • a plurality of converging lenses 10 are arranged in a grid to the above to use the advantageous effects described largely independently of the location at which the light hits the collector opening 1 .
  • the thermal energy converter can, as shown in Figs. 1 and 2 may be a thermoelectric generator that includes a number of Seebeck elements, since the device of this first embodiment can be combined with the thermal energy converter in a particularly compact manner. If a prism is used as the optical element 5, it can have a surface 11 or 12 facing the collector opening 1 and a surface 11 or 12 facing the thermal contact point 3, since this provides a relatively large penetration surface for light rays coming from the collector opening 1 and a relatively large emission surface for the direction the thermal junction 3 reflected light is formed.
  • the prism can be mounted in the interior 4 via a joint 13 in order to set the angle between the main direction of propagation 2 and the various surfaces 11, 12 of the prism.
  • thermoelectric power plant consisting of two devices, in which the emitter opening 6 of one device is connected to the collector opening 1 of a device downstream in the main propagation direction 2 .
  • Light entering via the collector opening 1 of the upper device is guided into the inner area formed by the inner spaces 4 of the devices, whereby the probability of presence or residence time of the light in the thermoelectric power plant as a thermal power plant is proportional to the volume of this inner area formed.
  • a portion of light that was guided past the optical element in one device and from which little or no energy could consequently be drawn can be passed on to the neighboring device, as can be seen, for example, from beam path 14 .
  • the optical elements 5 can be designed in such a way that they also successively deflect in the direction of the thermal contact points the, in particular, low-frequency component of the light that does not impinge directly on the thermal contact points 3 . It goes without saying that for Increasing the energy generation efficiency, several devices can be arranged according to the invention in the main propagation direction 2.
  • the thermal energy converter in a further embodiment shown in FIG Contact point 3 is thermally conductively connected.
  • the thermal energy transferred via the thermal contact point 3 to the energy carrier fluid 16 therefore heats up the energy carrier fluid 16, which can be used to operate the thermal energy converter.
  • the energy carrier fluid 16 evaporates at least partially due to the thermal energy transferred, with the steam driving a steam turbine 17 .
  • the kinetic energy of the driven steam turbine 17 drives a generator 18, which converts the mechanical energy of the steam turbine 17 transmitted to it into usable electrical energy.
  • the vapor can then either escape into the environment or be returned to the reservoir 15 .
  • the embodiment shown in FIG. 3 can also be used analogously to the embodiment shown in FIG. 2 in a thermal power plant, as shown in FIG.
  • the efficiency with which the thermal energy can be transferred to the energy carrier fluid 16 can be increased if the thermal contact points 3 of two or more devices of the second embodiment heat a common reservoir 15 with energy carrier fluid 16 .

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum photothermischen Beheizen eines Wärmeenergiewandlers mit einer lichtdurchlässigen Kollektoröffnung (1), einer thermischen Kontaktstelle (3) des Wärmeenergiewandlers sowie einem zwischenliegenden optischen Element (5) beschrieben. Um eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass mit konstruktiv einfachen Mitteln und unter möglichst geringem Energieverlust die Energie wenigstens eines Frequenzbereichs entnehmbar und das Licht der komplementären Frequenzbereiche weiterhin nutzbar ist, ohne zwangsläufig dafür verschiedene, an den jeweiligen Frequenzbereich angepasste Entnahmemethoden vorzusehen, wird vorgeschlagen, dass sich zwischen der Kollektoröffnung (1) und einer der Kollektoröffnung (1) in einer Hauptausbreitungsrichtung (2) des einfallenden Lichts gegenüberliegenden Emitteröffnung (6) ein quer zur Hauptausbreitungsrichtung (2) zumindest abschnittsweise reflektierend ausgebildeter Innenraum (4) erstreckt, der von der in Hauptausbreitungsrichtung (2) verlaufenden thermischen Kontaktstelle (3)begrenzt wird und in dem das das Licht teilweise zur thermischen Kontaktstelle (3) hin reflektierende und teilweise zur Emitteröffnung (6) transmittierende optische Element (5) angeordnet ist.

Description

Vorrichtung zum photothermischen Beheizen eines Wärmeenerqiewandlers
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum photothermischen Beheizen eines Wärmeenergiewandlersmit einer lichtdurchlässigen Kollektoröffnung, einer thermischen Kontaktstelle des Wärmeenergiewandlers sowie einem zwischenliegenden optischen Element.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zum photothermischen Beheizen von thermoelektrischen Generatoren als Wärmeenergiewandler bekannt, bei denen Sonnenlicht genutzt wird, um die heiße Seite eines Seebeck-Elements aufzuheizen und durch die Temperaturdifferenz zur kalten Seiten mittels des Seebeck-Effekts Strom zu erzeugen. Die LIS20210202816A1 zeigt eine solche Vorrichtung, bei der ein Solarkonzentrator mittels optischer Elemente, wie beispielsweise Spiegel oder Linsen, Sonnenlicht direkt auf die heiße Seite lenkt, Infrarotstrahlung auf einen Wärmekollektor bündelt oder in ein Glasfaserkabel einkoppelt. Die im Wärmekollektor gesammelte Wärme wird zum Erhitzen von Luft genutzt, mit der die heiße Seite des Seebeck-Elements zur Stromerzeugung erhitzt wird. Alternativ kann das gesammelte Licht in das Glasfaserkabel eingekoppelt und auf die heiße Seite gelenkt werden.
Nachteilig am Stand der Technik ist allerdings, dass sich jede der oben beschriebenen Heizmethoden nur für einen Frequenzbereich effizient nutzen lässt und die im komplementären Frequenzbereich enthaltene Energie zum größten Teil nicht effizient nutzen lässt, sobald das Licht in das jeweilige Wärmemedium eingespeist wurde. Aus diesem Grund offenbart die US20210202816A1 zwar viele verschiedene Ausführungsformen, allerdings keine Möglichkeit, aus mehreren Frequenzbereichen effizient Energie zu gewinnen. So wird beispielsweise beim Heizen eines Wärmereservoirs der niederfrequente Infrarot- Anteil des Sonnenlichts besser genutzt als der hochfrequente Anteil, umgekehrt verhält es sich beim Einkoppeln in ein Glasfaserkabel. Weiterer Energieverlust entsteht durch das Aufheizen und den Transport der Luft als Wärmeträgermedium.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, mit konstruktiv einfachen Mitteln und unter möglichst geringem Energieverlust die Energie wenigstens eines Frequenzbereichs zu entnehmen und das Licht der komplementären Frequenzbereiche weiterhin nutzbar zu machen, ohne zwangsläufig dafür verschiedene, an den jeweiligen Frequenzbereich angepasste Entnahmemethoden vorzusehen.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass sich zwischen der Kollektoröffnung und einer der Kollektoröffnung in einer Hauptausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts gegenüberliegenden Emitteröffnung ein quer zur Hauptausbreitungsrichtung zumindest abschnittsweise reflektierend ausgebildeter Innenraum erstreckt, der von der in Hauptausbreitungsrichtung verlaufenden thermischen Kontaktstelle begrenzt wird und in dem das das Licht teilweise zur thermischen Kontaktstelle hin reflektierende und teilweise zur Emitteröffnung transmittierende optische Element angeordnet ist. Zufolge dieser Maßnahmen dringt das Licht über die Kollektoröffnung entlang der Hauptausbreitungsrichtung in die Vorrichtung ein und trifft auf das optische Element, dass aufgrund seines Materials und seiner Anordnung im optischen Pfad den hochfrequenten Anteil des Lichts zur thermischen Kontaktstelle reflektiert wird, während der niederfrequente Anteil des Lichts zur Emitteröffnung transmittiert wird. Der hochfrequente Anteil trifft nach der Reflexion auf die thermische Kontaktstelle, wo die im Licht gespeicherte Energie in Form von Wärme an die thermische Kontaktstelle abgegeben wird. Da sich die Richtung des hochfrequenten Anteils beim Auftreffen auf das optische Element durch Beugung, Brechung, Reflexion etc. bezüglich zur Hauptausbreitungsrichtung stärker ändert als beim niederfrequenten Anteil, verläuft die thermische Kontaktstelle in Hauptausbreitungsrichtung, da so der Wirkungsquerschnitt der thermischen Kontaktstelle im optischen Pfad des hochfrequenten Lichts erhöht wird. Vorzugsweise ist das optische Element so ausgestaltet, dass der auf die thermische Kontaktstelle reflektierte Anteil des Lichts beim Auftreffen auf die thermische Kontaktstelle gebündelt ist, um eine starke lokale Temperaturerhöhung herbeizuführen. Der niederfrequente Anteil des Lichts wird in Richtung der Emitteröffnung transmittiert, wo beispielsweise mit einer weiteren Vorrichtung Energie entnommen werden kann oder aus der Vorrichtung austritt. Durch die Anordnung der Kollektoröffnung, der gegenüberliegenden Emitteröffnung und der in Hauptausbreitungsrichtung verlaufenden thermischen Kontaktstelle kann die Vorrichtung in Hauptausbreitungsrichtung lichtdurchlässig ausgeführt sein, sodass ein in Hauptausbreitungsrichtung verlaufender Teil des Lichts die Vorrichtung passieren und wieder aus ihr austreten kann. Dies ermöglicht die Integration der Vorrichtung in transparenten Oberflächen, wie beispielsweise Glastüren, Fenster oder Fassaden, sodass diese Oberflächen einer weiteren Nutzung zur Energiegewinnung zugeführt werden können. Darüber hinaus können auf diese Weise mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen seriell hintereinandergeschaltet werden. Der Innenraum kann innerhalb eines kompakten Gehäuses angeordnet werden, das vorzugsweise nach außen hin thermisch isoliert ist. Das optische Element kann beispielsweise ein Prisma oder ein halbdurchlässiger Spiegel sein. Die Einteilung des einfallenden Lichtes in den hoch- und den niederfrequenten Anteil kann je nach Lichtquelle und den verwendeten Materialien erfolgen und muss keine absolute Einteilung darstellen, es kommt lediglich darauf an, dass der hochfrequente Anteil des Lichts in einem höheren Frequenzspektrum liegt als der niederfrequente. Es versteht sich dabei von selbst, dass es sich dabei nicht zwingenderweise ausschließlich um das für das menschliche Auge sichtbare Spektrum von Licht handelt, sondern erfindungsgemäß auch beispielsweise Infrarot- und Ultraviolettstrahlung in der Verwendung des Begriffes „Licht“ mitumfasst sind. Mit dem Begriff Wärmeenergiewandler ist jedwede Vorrichtung gemeint, die die mit der Vorrichtung gewonnene thermische Energie in eine andere Energieform umwandeln kann. Der Wärmeenergiewandler kann also beispielsweise ein thermoelektrischer Generator sein. Dieser thermoelektrische Generator kann ein Seebeck-Element sein, welches thermische in elektrische Energie umwandelt. Alternativ kann mit der thermischen Energie Dampf erzeugt und eine Turbine betrieben werden, sodass die thermische Energie in mechanische und optional in weiterer Folge in elektrische Energie umgewandelt wird.
Da das optische Element nicht zwangsläufig im optischen Pfad aller einfallenden Lichtstrahlen liegt, kann nur ein Teil des einfallenden Lichtes erfindungsgemäß reflektiert oder transmittiert werden. Um auch einen möglichst großen Prozentsatz des Teils des Lichtes, der nicht unmittelbar in das optische Element strahlt erfindungsgemäß zu nutzen, wird vorgeschlagen, dass die freie Innenwand des Innenraumes reflektierend ausgebildet ist. Dadurch wird der nicht unmittelbar genutzte Anteil ohne Verwendung komplizierter optischer Elemente in den Innenraum zurückgeleitet und trifft dort außer bei unabsichtlicher Umleitung aus der Vorrichtung heraus entweder auf das optische Element, die thermische Kontaktstelle oder wird in die Emitteröffnung reflektiert. So wird die unerwünschte Absorption des Teils des Lichtes, der nicht unmittelbar auf das optische Element strahlt, durch die Vorrichtung verringert und ein größerer Teil des einfallenden Lichtes wird nutzbar. Die freie Innenwand ist dabei die Innenwand, die nicht durch Einbauten wie beispielsweise die thermische Kontaktstelle gebildet oder durch solche Einbauten abgeschattet wird. Diese freie Innenwand kann folglich mit der größtmöglichen Reflexionsfläche versehen werden, ohne andere Bauteile der Vorrichtung, wie beispielsweise die thermische Kontaktstelle zu beeinträchtigen.
Um insbesondere den niederfrequenten Anteil des Lichts effizient zur Wärmegewinnung zu nutzen, kann das optische Element im Innenraum zumindest abschnittsweise von einem Wärmespeicher umgeben sein. Zufolge diese Maßnahmen wird insbesondere der niederfrequente Anteil des Lichts in den Wärmespeicher transmittiert, nachdem er das optische Element verlassen hat und gibt dort seine Energie als Wärmeenergie ab. Dadurch kann sowohl die thermische Kontaktstelle als auch das Wärmemedium auf die Energieaufnahme in einem Frequenzbereich optimiert sein, da das Licht des komplementären Frequenzbereichs vom jeweils anderen Element effizient aufgenommen wird. Der Wärmespeicher ist mit der thermischen Kontaktstelle thermisch leitend verbunden, sodass die im Wärmespeicher absorbierte Wärmeenergie an die thermische Kontaktstelle abgegeben werden kann. Da das Volumen des Wärmespeichers das Volumen der thermischen Kontaktstelle um ein Vielfaches übersteigt und der Wärmespeicher das optische Element umgibt, ist die Energieausbeute verglichen zum Stand der Technik erhöht. Es wird nämlich zusätzlich zur oben beschriebenen frequenzselektiven Energiegewinnung auch sowohl der hoch- als auch der niederfrequente Lichtanteil, der nicht auf die vorgesehene Weise Energie abgibt oder durch Streuung, Reflektion, Beugung etc. über die Kollektoröffnung oder die Emitteröffnung aus der Vorrichtung entweicht, zwangsläufig entweder in den Wärmespeicher transmittiert, auf die thermische Kontaktstelle reflektiert, oder von den Wänden des Innenraumes absorbiert und gibt so seine Energie an die Vorrichtung ab. Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung liegt darin, dass der Wärmespeicher seine gespeicherte Wärmeenergie auch dann noch an die thermische Kontaktstelle abgibt, wenn kein Licht mehr durch die Kollektoröffnung strahlt und so der Wärmeenergiewandler auch in diesem Fall noch weiterbetrieben werden kann, weil die vom Wärmespeicher aufgenommene Wärmeenergie auch ohne einfallendes Licht an die thermische Kontaktstelle des Wärmeenergiewandler abgegeben wird. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmespeicher lichtdurchlässig, sodass die Vorrichtung trotz des Wärmespeichers nach wie vor in Hauptausbreitungsrichtung lichtdurchlässig ist. Dazu kann im einfachsten Fall Wasser als Wärmespeicher verwendet werden. Dazu kann das Wasser in den Innenraum gefüllt und die Kollektor- sowie die Emitteröffnung mit lichtdurchlässigem Material, wie beispielsweise einer lichtdurchlässigen Kunststoffplatte, verschlossen werden. Bevorzugt ist wenigstens eine Innenwand des Innenraums mit dem Wärmespeicher thermisch leitend verbunden, um die von der Innenwand absorbierte Energie ebenfalls nutzbar zu machen. Ist der Wärmespeicher lichtdurchlässig, so kann das optische Element auch vollständig vom Wärmespeicher umgeben sein. Um keine gesonderten thermisch leitenden Bauteile zwischen Wärmespeicher und thermischer Kontaktstelle vorsehen zu müssen und um die Wärmespeicherkapazität zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass der freie Innenraum, das heißt der Innenraum mit Ausnahme des optischen Elements und etwaigen anderen Einbauten, vollständig mit dem Wärmespeicher ausgefüllt ist. Da zufolge diese Maßnahmen das größtmögliche Volumen des Innenraums mit Wärmespeicher ausgefüllt ist, kann klarerweise auch mehr Wärmeenergie gespeichert werden. Um dennoch auch aus dem hochfrequenten Anteil erfindungsgemäß möglichst viel Energie zu gewinnen, kann das optische Element unmittelbar an die Kollektoröffnung und/oder an die thermische Kontaktstelle anschließen, damit der hochfrequente Anteil des Lichts auf die thermische Kontaktstelle reflektiert und nicht in den Wärmespeicher gelenkt wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein Wärmespeicher gewählt werden, dessen Material den hochfrequenten Anteil nur minimal in seinem Strahlengang und seiner Intensität beeinflusst.
Wie bereits erwähnt, kann die thermische Kontaktstelle mit der im Wärmespeicher gespeicherten Wärmeenergie auch dann noch beheizt werden, wenn kein Licht mehr durch die Kollektoröffnung strahlt. Der Zeitraum, über den die gespeicherte Wärmeenergie abgegeben wird kann weiter erhöht werden, wenn der Wärmespeicher ein Latentwärmespeicher ist. Da die dem Latentwärmespeicher zugeführte Wärmeenergie nicht nur für einen Temperaturanstieg sondern auch für einen Phasenübergang von einer Phase niedrigerer Energie auf eine Phase höherer Energie genutzt wird, kann ab einer gewissen Phasenübergangstemperatur in einem Übergangsbereich weiter Wärmeenergie zugeführt werden, ohne einen weiteren Temperaturanstieg zu bewirken. Wird keine Energie mehr über das Licht zugeführt, gibt der Latentwärmespeicher die Energie, die beim Übergang von der Phase höherer auf die Phase niedrigerer Energie frei wird, langsam ab, da sich der Phasenübergang und damit der Transfer der latenten Wärme auf die thermische Kontaktstelle über eine längere Zeit erstrecken kann. Es kann mehr Licht in die Vorrichtung gelenkt und dadurch der Wirkungsgrad erhöht werden, wenn die Kollektoröffnung eine Sammellinse für einfallendes Licht aufweist. Eine Sammellinse weist im Vergleich zu einer planaren Oberfläche desselben Querschnitts eine größere Oberfläche auf, über die das Licht in die Vorrichtung gelenkt werden kann. Außerdem kann der maximale Einfallswinkel des Lichts, das in die Vorrichtung gelenkt werden kann, mit der Apertur der Sammellinse beeinflusst werden. Da über eine Sammellinse der Strahlengang beeinflusst werden kann, kann das einfallende Licht bereits direkt auf das optische Element gerichtet werden. Bevorzugter Weise weist die Kollektoröffnung mehrere rasterförmig angeordnete Sammellinsen auf, sodass der Strahlengang des einfallenden Lichts weitgehend unabhängig von dem Ort, an dem das Licht auf die Kollektoröffnung trifft, festgelegt werden kann.
Die Vorrichtung kann in Kombination mit dem Wärmeenergiewandler möglichst kompakt ausgeführt sein, wenn der Wärmeenergiewandler ein Seebeck-Element, bevorzugt mehrere Seebeck-Elemente, umfasst, dessen beheiztes Ende die thermische Kontaktstelle bildet oder thermisch leitend mit dieser verbunden ist. Üblicherweise weisen Seebeck-Elemente großflächige beheizte Enden bei geringen Dicken auf. Das beheizte Ende als thermische Kontaktstelle eines Seebeck-Elements bildet also bereits einen großen Einstrahlquerschnitt für das reflektierte Licht und kann damit ohne weitere Modifikationen einfach Energie aufnehmen. Die geringe, orthogonal zum beheizten Ende verlaufende Dicke des Seebeck-Elements ermöglicht dadurch eine kompakte Kombination aus Wärmeenergiewandler und der Vorrichtung. Ist das beheizte Ende des bzw. der Seebeck-Elemente thermisch leitend mit der thermischen Kontaktstelle verbunden, kann das Seebeck-Element bzw. die Seebeck-Elemente außerhalb der Vorrichtung angeordnet und dementsprechend leichter austauschbar sein. Das kalte Ende des Seebeck-Elements bzw. die Seebeck-Elemente kann je nach Anwendungsgebiet beispielsweise über Kühlrippen und/oder Ventilatoren gekühlt sein, oder mit der Erde als Kühlkörper verbunden sein. Klarstellend ist anzumerken, dass unter einem Seebeck-Element ein Wärmeenergiewandler verstanden wird, der den Seebeck-Effekt zur Gewinnung von elektrischem Strom aus einer Temperaturdifferenz nutzt und der ähnlich einem Peltier-Element aufgebaut sein kann. Da Seebeck-Elemente üblicherweise kompakt gebaut sind, empfiehlt es sich mehrere Seebeck-Elemente thermisch leitend mit der thermischen Kontaktstelle zu verbinden, um die Energieausbeute der Vorrichtung zu erhöhen.
Um neben der Energieumwandlung auch die Abwärme des Energieumwandlungsprozesses besser nutzen zu können und den Zeitraum, über den die gespeicherte Wärmeenergie abgegeben wird weiter zu erhöhen, kann der Wärmeenergiewandler ein Reservoir für ein Energieträgerfluid, welches mit der thermischen Kontaktstelle thermisch leitend verbunden ist, umfassen. Die auf die thermische Kontaktstelle übertragene Wärmeenergie wird über die thermische Leitung dem Reservoir und damit dem Energieträgerfluid zugeführt, welches sich erwärmt. Dieses erwärmte Energieträgerfluid dient bereits als Wärmespeicher, sodass auch dann noch Energie umgewandelt werden kann, wenn kein Lichteintrag in die Vorrichtung mehr stattfindet. Mit dem erwärmten Fluid kann in weiterer Folge beispielsweise eine Wärmekraftmaschine oder ein bzw. mehrere Seebeck-Elemente betrieben werden. Da naturgemäß bei der Umwandlung von thermischer in mechanischer Energie die zugeführte Wärme nicht vollständig in mechanische Energie umgewandelt werden kann, verbleibt ein Teil der zugeführten Wärme im Energieträgerfluid. Dieses kann allerdings im Gegensatz zu anderen Energiespeichern leicht transportiert werden, indem es beispielsweise durch Röhren gepumpt wird, womit mit dessen Abwärme beispielsweise eine Heizung betrieben werden kann. Im einfachsten Fall ist das Energieträgerfluid Wasser.
Um den Wirkungsgrad des Wärmeenergiewandlers bei der Verwendung eines Energieträgerfluids noch weiter zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass der Wärmeenergiewandler eine Dampfturbine umfasst. Zufolge dieser Maßnahmen kann das Energieträgerfluid über den Phasenübergang von flüssig auf gasförmig weiter erhitzt werden, wodurch die Energiedichte des Energieträgerfluids erhöht werden kann. Mit dem Gas kann in weiterer Folge eine Dampfturbine betrieben werden, wobei auch hier die Abwärme des Energieträgerfluids in beiden Aggregatzuständen weiter genutzt werden kann. Bevorzugter Weise wird auch hier Wasser als Energieträgerfluid verwendet.
Das eingestrahlte Licht kann besonders einfach in den niederfrequenten und den hochfrequenten Anteil aufgeteilt und entsprechend weitergeleitet werden, wenn das optische Element ein Prisma ist, das eine der Kollektoröffnung und eine der thermischen Kontaktstelle zugewandte Fläche aufweist. Dabei wird das dispersive Verhalten des Prismas ausgenutzt und das Licht kann durch ein simples und einfach herzustellendes optisches Element über den Einfallswinkel und den frequenzspezifischen Brechungsindex aufgeteilt werden. Weiters kann der Strahlengang über die Position des Prismas im Innenraum durch Versuch, Berechnung oder Simulation einfach optimiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Neigung des Prismas bezüglich der Haupteinfallsrichtung eingestellt werden. Dazu kann das Prisma drehbar gelagert sein. Vorzugsweise weist das Prisma eine dreieckige Grundfläche auf, wobei die weder der Kollektoröffnung noch der thermischen Kontaktfläche zugewandte Fläche schräg zur Hauptausbreitungsrichtung verläuft. Damit kann diese Fläche vorzugsweise der Emitteröffnung zugewandt sein.
Die entnehmbare Energiemenge des einfallenden Lichts bei konstanter Größe der Kollektoröffnung kann erhöht werden, indem mehrere Vorrichtungen zu einem Wärmekraftwerk kombiniert werden, bei dem die Emitteröffnung einer Vorrichtung an die Kollektoröffnung einer in Hauptausbreitungsrichtung nachgelagerten Vorrichtung anschließt. Die Innenräume der einzelnen Vorrichtungen des Wärmekraftwerk bilden dabei einen großen gemeinsamen Innenbereich, wobei das Licht unabhängig von der Anzahl der kombinierten Vorrichtungen und damit der Größe dieses Innenbereichs nur über die Kollektoröffnung der ersten und die Emitteröffnung der letzten Vorrichtung entweichen kann. Folglich steigt das Volumen des Innenbereichs bei der Kombination mehrerer Vorrichtungen, während die von der Kollektoröffnung und der Emitteröffnung beschränkte Austrittsfläche gleichbleibt. Durch die erfindungsgemäße Kombination mehrerer Vorrichtungen Wärmekraftwerk kann also die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Lichts im Wärmekraftwerk, und damit die entnehmbare Energie erhöht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Aufenthaltswahrscheinlichkeit weiter erhöht werden, indem der letzten Vorrichtung im Wärmekraftwerk eine reflektierende oder absorbierende Wand nachgelagert ist, sodass das Licht das Wärmekraftwerk nicht über die letzte Emitteröffnung verlassen kann. Ist in dem Kraftwerk wenigstens eine Vorrichtung mit einem Wärmespeicher vorgesehen, kann dieser die Wärmeenergie des niederfrequenten Lichtes aufnehmen. Alternativ oder zusätzlich können die optischen Elemente der kombinierten Vorrichtungen so beschaffen sein, dass auch die verglichen zum hochfrequenten Anteil des Lichts weniger in Richtung der thermischen Kontaktstelle gelenkten niederfrequenten Anteile durch die Anordnung mehrerer Vorrichtungen in Hauptausbreitungsrichtung und deren optischer Elemente sukzessive durch Beugung, Brechung, Reflexion, etc. immer weiter in Richtung der thermischen Kontaktstellen gelenkt werden, wo diese Wärmeenergie abgeben. In einer weiteren Ausführungsform können die optischen Elemente aufeinanderfolgender Vorrichtungen im Wärmekraftwerk ein voneinander abweichendes Brechungs- Reflexions- bzw. Beugungsverhalten aufweisen, sodass in Hauptausbreitungsrichtung sukzessive immer niederfrequentere Anteile des einfallenden Lichtes auf die thermischen Kontaktstellen umgeleitet werden. Das Wärmekraftwerk kann beispielsweise ein thermoelektrisches Kraftwerk sein.
Wird zur Energieumwandlung ein Energieträgerfluid, wie beispielsweise Wasser, verwendet, empfiehlt es sich, dass die thermischen Kontaktstellen von wenigstens zwei Vorrichtungen mit einem gemeinsamen Reservoir für ein Energieträgerfluid thermisch leitend verbunden sind. Dadurch kann das Energieträgerfluid nicht nur gleichmäßiger, nämlich durch Konvektion innerhalb des Reservoirs, temperiert werden, sondern es werden auch Wärmeverluste minimiert, da ein gemeinsames Reservoir klarerweise weniger Oberfläche aufweist, über die Wärme ungenutzt abstrahlen kann, als mehrere kleine Reservoirs.
Kurze Beschreibung der Erfindung
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung einer ersten Ausführungsform mit ausgewählten Strahlengängen einfallender Lichtstrahlen,
Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch ein zwei, bezüglich der Hauptausbreitungsrichtung hintereinander angeordnete Vorrichtungen der ersten Ausführungsform umfassendes Wärmekraftwerk,
Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung einer zweiten Ausführungsform mit ausgewählten Strahlengängen einfallender Lichtstrahlen und
Fig. 4 einen schematischen Schnitt durch ein zwei, bezüglich der Hauptausbreitungsrichtung hintereinander angeordnete Vorrichtungen der zweiten Ausführungsform umfassendes Wärmekraftwerk.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum photothermischen Beheizen eines Wärmeenergiewandlers umfasst eine lichtdurchlässige Kollektoröffnung 1 , über die Licht entlang einer Hauptausbreitungsrichtung 2 in den an die Kollektoröffnung 1 anschließenden, von wenigstens einer thermischen Kontaktstelle 3 des Wärmeenergiewandlers begrenzten, Innenraum 4 strahlt. In dem Innenraum ist ein optisches Element 5, wie beispielsweise ein Prisma, angeordnet. Der Kollektoröffnungl liegt in Hauptausbreitungsrichtung 2 eine Emitteröffnung 6 gegenüber, wobei das optische Element 5 in Hauptausbreitungsrichtung 2 zwischen der Kollektoröffnungl und der Emitteröffnung 6 angeordnet ist. Zufolge dieser Anordnung ist die gezeigte Vorrichtung in Hauptausbreitungsrichtung 2 lichtdurchlässig und kann dadurch beispielsweise in Fenstern oder anderen transparenten Objekten verbaut werden. Da nicht zwangsläufig das gesamte einfallende Licht auf das optische Element 5 trifft, sondern auch an diesem vorbei verlaufen kann, ist der Innenraum 4 zumindest abschnittsweise reflektierend ausgeführt, wobei bevorzugter Weise die freie Innenwand 7, also die Innenwand, die nicht durch Einbauten wie beispielsweise die thermische Kontaktstelle 3 gebildet oder durch solche Einbauten abgeschattet wird, reflektierend ausgebildet. Dadurch kann dieses vorbeiverlaufende Licht bevorzugter Weise in die Emitteröffnung 3 umgelenkt werden.
Das einfallende Licht ist aus mehreren Anteilen verschiedener Frequenzbereiche zusammengesetzt. Das optische Element 5 ist so beschaffen, dass der optische Pfad der Anteile des Lichts je nach Frequenz unterschiedlich ist. Ist das optische Element 5 beispielsweise wie in der Zeichnung gezeigt ein Prisma, ist das Transmissions- und Reflexionsverhalten der Anteile des Lichts an den Oberflächen des Prismas unterschiedlich, wie dies in den Strahlengängen 8 ersichtlich ist. Höherfrequente Anteile des Lichts werden erfindungsgemäß zur thermischen Kontaktstelle 3 reflektiert, wo diese Wärmeenergie für den Wärmeenergiewandler abgeben. Der Wärmeenergiewandler wandelt die Wärmeenergie anschließend in eine andere Energieform um. Der optische Pfad niederfrequenter Anteile wird bezüglich der Hauptausbreitungsrichtung 2 weniger beeinflusst und zur Emitteröffnung 6 transmittiert, wo das Licht einer weiteren Verwendung, beispielsweise zur Beleuchtung eines Bereichs oder weiterer Energieentnahme, zugeführt werden kann.
Wenn das optische Element 5 im Innenraum 4 von einem Wärmespeicher 9 umgeben ist, kann insbesondere der niederfrequente Anteil des Lichts bereits genutzt werden, bevor er die Vorrichtung über die Emitteröffnung 6 verlässt.
Vorteilhafte Energiespeicherbedingungen ergeben sich weiters, wenn der freie Innenraum, bevorzugter Weise vollständig, mit dem Wärmespeicher 9 ausgefüllt ist. Der Wärmespeicher 9 ist mit der thermischen Kontaktstelle 3 thermisch leitend verbunden, sodass auch dieser die thermische Kontaktstelle 3 erwärmt, um den Wärmeenergiewandler zu betreiben.
Um möglichst viel Licht über die Kollektoröffnung 1 in die Vorrichtung zu lenken, kann die Kollektoröffnung 1 Sammellinsen 10 aufweisen, die aufgrund ihrer Oberfläche und Apertur günstigere Einfallswinkel ermöglichen. Bevorzugter Weise sind mehrere Sammellinsen 10 rasterförmig angeordnet, um die oben geschilderten vorteilhaften Effekte weitgehend unabhängig von dem Ort, an dem das Licht auf die Kollektoröffnung 1 trifft, zu nutzen.
Der Wärmeenergiewandler kann wie in Figs. 1 und 2 angedeutet ein thermoelektrischer Generator sein, der mehrere Seebeck-Elemente umfasst, da die Vorrichtung dieser ersten Ausführungsform so besonders kompakt mit dem Wärmeenergiewandler kombiniert werden kann. Wird ein Prisma als optisches Element 5 verwendet, kann dies eine der Kollektoröffnung 1 und eine der thermischen Kontaktstelle 3 zugewandte Fläche 11 bzw. 12 aufweisen, da so eine verhältnismäßig große Eindringfläche für von der Kollektoröffnung 1 kommende Lichtstrahlen und eine verhältnismäßig große Abstrahlfläche für in Richtung der thermischen Kontaktstelle 3 reflektiertes Licht ausgebildet wird. Da die Brechung des Lichtes am Prisma unter anderem vom Einfallswinkel abhängt, kann das Prisma über ein Gelenk 13 im Innenraum 4 gelagert sein, um den Winkel zwischen Hauptausbreitungsrichtung 2 und den verschiedenen Flächen 11 , 12 des Prismas einzustellen.
Die Fig. 2 zeigt ein aus zwei Vorrichtungen Wärmekraftwerk, bei dem die Emitteröffnung 6 einer Vorrichtung an die Kollektoröffnung 1 einer in Hauptausbreitungsrichtung 2 nachgelagerten Vorrichtung anschließt. Über die Kollektoröffnung 1 der oberen Vorrichtung eintretendes Licht wird dabei in den von den Innenräumen 4 der Vorrichtungen gebildeten Innenbereich geleitet, wodurch die Aufenthaltswahrscheinlichkeit bzw. Verweildauer des Lichtes im thermoelektrischen Kraftwerk als Wärmekraftwerk proportional zum Volumen dieses gebildeten Innenbereichs ist. Mit anderen Worten kann ein Lichtanteil, der in einer Vorrichtung am optischen Element vorbeigeleitet wurde und dem folglich keine oder nur wenig Energie entnommen werden konnte, in die benachbarte Vorrichtung weitergeleitet werden, wie dies beispielsweise am Strahlengang 14 ersichtlich ist. Die optischen Elemente 5 können so beschaffen sein, dass sie auch den insbesondere niederfrequenten Anteil des Lichts, der nicht unmittelbar auf die thermischen Kontaktstellen 3 auftrifft, sukzessive in Richtung der thermischen Kontaktstellen um lenken. Es versteht sich dabei von selbst, dass zur Steigerung der Energiegewinnungseffizienz auch mehrere Vorrichtungen erfindungsgemäß in Hauptausbreitungsrichtung 2 angeordnet werden können.
Während die thermischen Kontaktstellen 3 der in der Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform für ein oder mehrere Seebeck-Elemente vorgesehen sind, umfasst der Wärmeenergiewandler in einer weiteren, in der Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ein Reservoir 15 für ein Energieträgerfluid 16, welches mit der thermischen Kontaktstelle 3 thermisch leitend verbunden ist. Die über die thermische Kontaktstelle 3 auf das Energieträgerfluid 16 übertragene thermische Energie heizt also das Energieträgerfluid 16 auf, welches zum Betrieb des Wärmeenergiewandlers genutzt werden kann. In dieser zweiten Ausführungsform verdampft das Energieträgerfluid 16 aufgrund der übertragenen thermischen Energie wenigstens teilweise, wobei der Dampf eine Dampfturbine 17 antreibt. Die kinetische Energie der angetriebenen Dampfturbine 17 treibt einen Generator 18 an, der die auf ihn übertragene mechanische Energie der Dampfturbine 17 in nutzbare elektrische Energie umwandelt. Der Dampf kann anschließend entweder in die Umgebung entweichen, oder dem Reservoir 15 rückgeführt werden.
Auch die in der Fig. 3 gezeigte Ausführungsform kann analog zu der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform in einem Wärmekraftwerk verwendet werden, wie dies in der Fig. 4 gezeigt ist. Die Effizienz, mit der die thermische Energie auf das Energieträgerfluid 16 übertragen werden kann, kann allerdings gesteigert werden, wenn die thermischen Kontaktstellen 3 von zwei oder mehreren Vorrichtungen der zweiten Ausführungsform ein gemeinsames Reservoir 15 mit Energieträgerfluid 16 beheizen.

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zum photothermischen Beheizen eines Wärmeenergiewandlers mit einer lichtdurchlässigen Kollektoröffnung (1), einer thermischen Kontaktstelle (3) des Wärmeenergiewandlers sowie einem zwischenliegenden optischen Element (5), dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der Kollektoröffnung (1 ) und einer der Kollektoröffnung (1 ) in einer Hauptausbreitungsrichtung (2) des einfallenden Lichts gegenüberliegenden Emitteröffnung (6) ein quer zur Hauptausbreitungsrichtung (2) zumindest abschnittsweise reflektierend ausgebildeter Innenraum (4) erstreckt, der von der in Hauptausbreitungsrichtung (2) verlaufenden thermischen Kontaktstelle (3) begrenzt wird und in dem das das Licht teilweise zur thermischen Kontaktstelle (3) hin reflektierende und teilweise zur Emitteröffnung (6) transmittierende optische Element (5) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die freie Innenwand (7) des Innenraumes (4) reflektierend ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (5) im Innenraum (4) zumindest abschnittsweise von einem Wärmespeicher (9) umgeben ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Innenraum vollständig mit dem Wärmespeicher (9) ausgefüllt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher ein Latentwärmespeicher ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektoröffnung (1 ) eine Sammellinse (10) für einfallendes Licht aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeenergiewandler ein Seebeck-Element umfasst, dessen beheiztes Ende die thermische Kontaktstelle (3) bildet oder thermisch leitend mit dieser verbunden ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeenergiewandler ein Reservoir (15) für ein Energieträgerfluid (16), welches mit der thermischen Kontaktstelle (3) thermisch leitend verbunden ist, umfasst.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeenergiewandler eine Dampfturbine (17) umfasst.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (5) ein Prisma ist, das eine zur Kollektoröffnung (1 ) und eine zur thermischen Kontaktstelle (3) parallele Fläche (11 , 12) aufweist.
11 . Wärmekraftwerk mit mehreren Vorrichtungen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitteröffnung (6) einer Vorrichtung an die Kollektoröffnung (1 ) einer in Hauptausbreitungsrichtung (2) nachgelagerten Vorrichtung anschließt.
12. Wärmekraftwerk nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Kontaktstellen (3) von wenigstens zwei Vorrichtungen mit einem gemeinsamen Reservoir (15) für ein Energieträgerfluid (16) thermisch leitend verbunden sind.
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