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Dokumentenidentifikation DE10011052B4 29.06.2006
Titel Sonnenkollektor
Anmelder Sack, Robert, 69118 Heidelberg, DE
Vertreter Rechts- und Patentanwälte Weber & Seidel, 69120 Heidelberg
DE-Anmeldedatum 07.03.2000
DE-Aktenzeichen 10011052
Offenlegungstag 04.04.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.06.2006
IPC-Hauptklasse F24J 2/14(2006.01)A, F, I, 20051205, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor mit einer parabelförmigen verspiegelten Rinne, in deren Brennlinie eine ein Medium führende Leitung verläuft, wobei die parabelförmige Rinne einen Verlauf aufweist, der die Fläche eines Formstücks ausfüllt, das Formstück von einer lichtdurchlässigen Platte abgedeckt ist, wobei die Flanken der Parabelform die Brennlinie derart überragen, daß die ein Medium führende Leitung mit überdeckt wird und dabei die Flanken der Rinne die lichtdurchlässige Platte stützen und der Hohlraum zwischen der lichtdurchlässigen Platte und dem Formstück evakuiert ist.

Standard Sonnenkollektoren (Sammler = passives Prinzip)

Auf dem Markt sind grundsätzlich zwei verschiedene Systeme von Kollektoren zu finden: Flachkollektoren und Vakuumröhren. Hierzu gehören auch solche, wie sie in den Schriften GB 15 41 034 und US 10 14 972 beschreiben sind. Auf die verschiedenen Varianten der Flachkollektoren soll hier nicht eingegangen werden, da diese vom Prinzip alle ähnlich sind, auch wenn sie in der Konstruktion und dem erreichten Wirkungsgrad stark differieren.

Beide Systeme erreichen in ihren besten Ausführungen hohe Wirkungsgade. Hier eine technische Verbesserung zu erzielen, kann sich hauptsächlich auf die fertigungstechnische Produktion und den damit verbundenen Preisvorteilen beziehen. Die Arbeitstemperaturbereiche liegen in der Regel bei Flachkollektoren bei ca. 70°C, Vakuumröhren erreichen theoretisch 120°C. Beide Systeme entsprechen damit dem Bedarf für Heizungsanlagen und Brauchwasser. Zur Prozeßdampferzeugung können diese Techniken allerdings ebensowenig wie zur Kälteerzeugung eingesetzt werden. Beide Systeme beruhen auf dem Prinzip der Wärmesammlung (= Kollektor) und können als passives Prinzip bezeichnet werden. Allenfalls Vakuumröhren mit einem Reflektor, sogenannte CPC-Systeme (Combo und Parabolic Concentrator) haben einen Verstärkungsfaktor der direkten Sonnenstrahlung von C=3.

Die klassische Bauweise, schwarzes Blech mit dahinter liegender Rohrschlange, ist für den Hochtemperaturbereich völlig ungeeignet. Zum einen würden die Rückstrahlverluste enorm ansteigen und zum anderen wären die Wärmeausdehnungen und die daraus resultierenden Materialspannungen, z. B. für die gelöteten Kontaktflächen, zu stark. Allerdings ist der einfache Aufbau von Flachkollektoren für eine Installation sehr gut geeignet und der Herstellungsprozeß läßt akzeptable Preise auf dem Markt zu. Vakuumröhren können zwar bis 120° C erreichen, mit steigender Temperatur sinkt aber der Wirkungsgrad stark ab und selbst CPC-Systeme sind für einen Hochtemperaturbereich ungeeignet.

Fokussierung (Verstärkung = aktives Prinzip)

Zur Erzeugung von hohen Temperaturen werden bis dato nur Spiegelreflektoren eingesetzt. Durch Bündelung, Fokussierung der Sonnenstrahlen mit Hilfe eines Spiegelfeldes auf einen Punkt, bei diesem Anlagentyp wird von Paraboloid-Technik gesprochen, erreicht man Temperaturen bis über 1500°C, bei einer Verstärkung von etwa C=700. In den Pyrenäen von Südfrankreich ist schon vor Jahrzehnten ein solches SEGS (SolarEnergyGeneratingSystem) installiert worden. Die modernere Technik neuerer SEGS beruhen auf parabolförmig gebogenen Reflektoren, in deren Brennlinie eine Absorberröhre installiert ist. In dieser Röhre wird ein Kreislaufmedium bis auf 400°C erhitzt. Die Verstärkungsfaktoren liegen mit dieser Technik bei C = 40-80. Jedoch gilt für diese Technik, daß diese bis dato nur in Großkraftwerkstechnik zur Ausführung gelangt. Die Problematik der Logistik und den daraus entstehenden Kosten und Wirkungsgradverlusten bleibt bestehen, so wie man es in der klassischen zentralen Wärmekraftwerkstechnik kennt. Die eingesetzte Technik der Fokussierung ist gegenüber dem Kollektor ein aktives Prinzip.

Problematik

Die angewandte Technik der Parabolrinnensysteme, in der Mojave Wüste der USA wird diese Technik seit Jahren mit Erfolg eingesetzt, ist die z.Zt. modernste und effektivste Art, auch hinsichtlich der Investitionskosten, Sonnenenergie in Strom zu verwandeln. Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 30%. Die Effektivität dieser Technik wird durch die Systemtechnik bedingt und hat folgenden Hintergrund: Das Trägermedium im Absorberrohr ist Thermoöl und kann bis max. ca. 400°C erhitzt werden. Könnte man ein Trägermedium mit höherer Temperatur beaufschlagen, verbessert sich der Wirkungsgrad. Wasser als Energieträger zu verwenden wäre die technisch optimale Lösung, stellt aber ein nicht zu unterschätzendes Problem dar: Die Fokussierung und damit die Energiedichte ist so hoch, daß Wasser an der Innenwand des Absorberrohres spontan verdampft. Diese spontane Verdampfung hat folgende bekannte Problematik: Die sogenannten Dampfschläge erzeugen eine kurzfristig hohe dynamische Druckbeanspruchung des Rohres und mindern den Wärmeübergang entsprechend der Häufigkeit ihres Entstehens. Ist eine Temperatur im Verlauf des Rohres erreicht, bei der das Kreislaufmedium in den Bereich seines Dampfdruckpunktes gelangt, nimmt dieser Effekt der spontanen Verdampfung sehr stark zu. Dies kann bis zum Bersten des Absorberrohres führen, oder zumindest den Wärmeübergang so stark minimieren, daß durch den entstehenden Wasserdampf ein sehr schlechter Wärmeübergang stattfindet und das Medium sich selbst isoliert. Der Einsatz von Thermoöl hat außerdem einen entscheidenden Nachteil gegenüber der Direktverdampfung: Eine Leckage im Rohrleitungssystem ist immer mit einer zwangsweisen Umweltbelastung und hohen Instandhaltungskosten verbunden.

Parabolrinnensysteme, wie das der eingangs genannten Art, wurden bisher derart ausgebildet, daß entweder entsprechend viele oder entsprechend lange Rinnen aufgestellt wurden, in deren Brennlinie die Leitung für das Medium als eine dicke Absorberleitung angeordnet ist, die zum Schutz wiederum von Glasröhrchen umgeben ist. Ein solches Parabolrinnensystem ist vom apparativen Aufbau sehr aufwendig und benötigt viel Platz. Es ist daher eher als Großanlage brauchbar.

Aus der US 4,423,718 ist ein feststehender Parabolrinnen-Vakuum-Kollektor bekannt, der auch als Kleinanlage ausführbar ist. Er ist dabei insbesondere so ausgestaltet, daß er der Sonne nicht nachgeführt werden muß, um im Leistungsmaximum zu verbleiben. Dazu weist er zwei vorgeformte Glasschichten auf, die obere als Vakuumabdeckung und Durchlaß für die Sonnenstrahlen, die untere als teilverspiegelte Konzentrierungsschicht, sowie ein Röhrensystem, das die empfangene Solareinstrahlung in Wärme umwandelt. Mit dieser Vorrichtung können bis ungefähr 300°C Mediumtemperatur erreicht werden. Die Effizienz liegt somit noch deutlich unter den zuvor genannten optimierten Systemen, die mit Themoöl bei Temperaturen von bis zu 400°C arbeiten können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sonnenkollektor der eingangs genannten Art verfügbar zu machen, der auch im Kleinstbereich sehr hohe Temperaturen bei einem akzeptablen Wirkungsgrad erzielt und damit für alle energetischen Prozesse als Energielieferant dienen kann.

Lösung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die ein Medium führende Leitung eine dünne Hochdruckleitung ist.

Bei der Erfindung handelt es sich somit um einen speziellen Hochdruck-, Hochtemperatur -Sonnenkollektor. Es handelt sich um die Verbindung der Bauweise eines klassischen Flachkollektors und des Prinzips der Parabolrinnentechnik, wobei eine sinnvolle Kombination von Kollektor (=Sammlung) und Fokussierung (=Spiegel) erzielt wird. Mit der hier aufgezeigten Konstruktion ist eine Lösung gefunden, die den Grundstock für Kleinkraftwerke liefert und zum universellen Einsatz geeignet ist. Die Funktion eines solchen Kollektors ist die eines Verdampfers in einem übergeordneten Gesamtsystem.

Weiterbildungen

Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Prinzip Parabolrinne

Eine Medium führende Leitung muß im Brennpunkt einer parabolförmigen Rinne, welche in ihrer Innenseite verspiegelt ist, verlaufen. Dabei dient die Rinne zur Fokussierung der Strahlung, was dem aktiven Prinzip- und die Hochdruckleitung als Sammler, was dem passivem Prinzip entsprechen würde. Je größer die Öffnungsweite dieser Rinne gegenüber der Oberfläche der Absorberleitung ist, je stärker ist die Fokussierung und der daraus zu erzielende Wirkungsgrad. Das Kreislaufmedium, welches durch die Leitung gepumpt wird, sammelt im Verlauf durch die Parabolrinne die gebündelte direkte Sonnenstrahlung ein, was sich in einer immer mehr ansteigenden Temperatur niederschlägt, damit sind sehr hohe Temperaturen zu erreichen, wie die schon laufenden SEGS zeigen. Diese Technik scheint z.Zt. die sinnvollste Lösung zu sein, solare Energie in eine anwendbare Energieform zu wandeln. Jedoch in der technischen Ausführung lediglich in offener Bauweise eingesetzt und gegenüber Flachkollektoren unhandlich und im apparativen Aufbau sehr aufwendig. Die Anwendung mit Wasserdampf ist, wie oben beschrieben, technisch noch nicht gelöst.

Erfindung Innovation

Die technische Lösung kann nun auch in folgender Weise umgesetzt werden: Die Rinne wird nicht aus einzelnen Reflektoren in einer langen Linie aufgebaut, sondern als mäanderförmig verlaufende Rinne in ein einziges Formstück gearbeitet. Die Flanken der Parabelform überragen dabei die Brennlinie, so daß, legt man eine lichtdurchlässige Platte über diese Parabolrinnenform, der Absorber mit überdeckt wird. Der Verlauf der Rinne erstreckt sich über die ganze Fläche des Formstückes. Es entsteht sozusagen ein Parabolrinnenkollektor in einem Stück. In der Brennlinie verläuft nicht eine dicke Absorberleitung die von Glasröhren umgeben ist, sondern eine dünne Hochdruckleitung. Der durch die Schutzscheibe entstandene Hohlraum der Rinne wird zur Isolierung evakuiert. Dabei stützen die Flanken des Rinnensystems die Schutzscheibe, so daß diese den auftretenden Kräften standhält.

Wie stark sollte nun die Fokussierung sein?

In der Verfahrenstechnik wird mit einer Flächenleistung bei Wärmetauschern, z.B. bei Thermalölanlagen mittels Elektroheizstäben, aber auch bei klassischen Batchdestillationsanlagen, zwischen 1-3 Watt je cm2 gerechnet. Die Sonne besitzt eine Flächenleistung von max. 0,13 Watt je cm2. Es würde also genügen, wenn man den direkten Vergleich heranzieht, den Fokussierfaktor zwischen 10 und 30 zu legen. Zum Vergleich, der Verstärkungsfaktor bei laufenden SEGS liegt zwischen 30 und 40. Die Hochdruckleitung muß dem Verlauf der Parabolrinne folgen. Aus diesem Grund kann nur eine dünne Leitung, die relativ leicht zu biegen ist, in Frage kommen. Wird z.B. eine Leitung von 5 mm Außendurchmesser benutzt, so ist die Öffnungsweite der Parabolrinne minimal 157 mm. Mit Blickpunkt auf den Isolator Vakuum ist dies eine Spannweite, welche von Flachglas durchaus zu beherrschen ist. Als Vergleich: absolut plane Bildschirme haben eine wesentlich größere Diagonale und halten den daraus resultierenden statischen Beanspruchungen stand.

Dies ist nun die skizzierte Lösung: Aufbau eines Parabolrinnensystems mit relativ geringer Öffnungsweite und innenliegender Brennlinie dessen Oberfläche zu einem Reflektor veredelt ist, abgedeckt mit einer Glasscheibe. In der Brennlinie liegt eine dünne Hochdruckleitung als Absorber. Es gibt nur eine durchgehende Druckleitung mit Vorlauf und Rücklauf als Anschlußpunkte. Das Parabolrinnensystem besteht aus einem einzigen Formstück. Der gesamte Kollektor ist zur Isolierung evakuiert.

Die Vorteile eines solchen Kollektors, ein einfacher Kollektor ist es ja nicht und soll deshalb Parabolrinnenkollektor kurz PRK, genannt werden, liegen auf der Hand. Eine gute Fokussierung ist bei kleinen Abmessungen mit Präzision herzustellen. Die geschlossene Bauweise schützt den gesamten Aufbau, vor allem auch die Spiegeloberfläche.

Der wichtigste Punkt ist bei dem gesamten System die Hochdruckleitung. In einer dünnen Hochdruckleitung kann wesentlich schlechter eine Isolierschicht aus Dampf entstehen, da die räumlichen Abmessungen dies nicht zulassen. Das Verhältnis der Oberfläche, Innenseite der Hochdruckleitung, zum Volumen des zu erhitzenden Kreislaufmediums ist so groß, daß die Energieübertragung immer ausreichend gewährleistet ist. Wenn der Dampfdruckpunkt im Verlauf des Rohres erreicht ist, wird mit größter Wahrscheinlichkeit das Kreislaufmedium in einem sehr kurzen Rohrabschnitt komplett verdampfen. Die dabei entstehenden Druckbeanspruchungen sind mit kleinen Durchmessern wesentlich einfacher zu handhaben, als mit größeren. Wird das Kreislaufmedium, z.B. Wasser, über seinen spezifischen kritischen Punkt, > 220bar, betrieben, so wird dieses bei der Phasenwandlung, nur um einen Faktor von ca. 1,5 höhere Durchflußgeschwindigkeit haben, bei konstantem Druck. Durch diese Technik kann das Heißgas auch einfachst überhitzt werden, ohne daß ein Gemisch aus Flüssigphase und Gasphase eine Problembildung ergeben würde. Ein weiterer Vorteil ist die Carbonisierung. Auf Grund des hohen Druckes wird die dünne Hochdruckleitung nicht verkalken, man könnte also Frischwasser direkt einspeisen, ähnlich wie bei Hochdruckreinigern.

Die Vorteile nochmals kurz als Steckbrief:
  • – Kompakt im Aufbau;
  • – Geschlossene Bauweise;
  • – geeignet als Direktverdampfer;

Ein solcher Solarkollektor kann nun die Ausgangssituation für ein Kleinkraftwerk sein. Ob zur einfachen Dampferzeugung, oder Stromerzeugung oder für ein Kältesystem, die Grundlage ist jetzt geschaffen, um im Kleinstbereich bis zu größeren Konzepten eine technische Lösung, ohne in den Großkraftwerksbau hinein gehen zu müssen, anbieten zu können.

Technische Umsetzung

Der Aufbau eines solchen Kollektors bringt verschiedene technische Aufgabenstellungen mit sich. Diese werden im folgenden näher beschrieben und es wird gezeigt wie diese technisch umzusetzen sind. Es werden dabei technische Randbedingungen und Komponenten, welche für ein funktionstüchtiges System notwendig sind, nicht ausführlich beschrieben. Die hauptsächlichste Innovation ist mit dem obigen Teil schon beschrieben, jedoch ist eine technische Umsetzung und Anwendung ja unumgänglich.

Aufbau aus einem Stück

Die Parabolform besteht, wie beschrieben aus einem Stück. Es kann die Parabolrinne, z.B. durch Tiefziehen eines Bleches hergestellt werden. Dabei spielt der Verlauf der Rinne eine untergeordnete Rolle. Die Größe des Kollektors hängt einzig und allein von den technischen Möglichkeiten des Herstellungsprozesses ab, diese sind im besonderen Blechgröße, Glasplatte und Form des Werkzeuges. Die Rinne kann so ausgebildet werden, daß diese in parallel nebeneinander liegenden Geraden verlaufen, die durch halbkreisförmige Bögen von einer Geraden zur nächsten Geraden in abwechselnder Folge verbunden sind (Mäanderform). Diese Variante ist im Anhang in der Zeichnung beispielhaft dargestellt. Es ist aber auch die Variante denkbar, daß die Rinne wie in einer Schneckenform ausgebildet wird. Der Vorlauf der Druckleitung müßte dann in der Mitte sein, da die Wärmeausdehnung hier am geringsten ist. Denn je größer der Radius der Schnecke ist, je mehr kann die Druckleitung die größere Leitungslänge durch Wärmeausdehnung kompensieren.

Isolierung und Schutzscheibe

Diesen Kollektor sinnvoll zu isolieren kann nur mit einem Hochvakuum erreicht werden. Dabei muß die Schutzscheibe den auftretenden Kräften standhalten können. Es gilt einen Kompromiß zwischen minimaler Stärke, wegen den Verlusten und dem Gewicht, und der Belastung durch das Vakuum und der dadurch begrenzten Öffnungsweite der Rinne zu finden. Wünschenswert wäre, wenn es gelänge eine Spannweite von 30cm zu erreichen. Die Wärmestrahlen möglichst verlustfrei, von der Sonnenseite aus betrachtet, durchzulassen aber in die umgekehrte Richtung möglichst viel Energie zurück zu reflektieren, um die Verluste so klein wie möglich zu halten, ist die weitere Aufgabe der Schutzscheibe

Dichtung und Gehäuse, Klebetechnik

Ein entscheidender Faktor in Bezug auf Langzeitstabilität stellt der Übergang von Glas auf Metall dar. In der Automobilindustrie hat sich die Klebetechnik etabliert. Dabei hat es sich gezeigt, daß z.B. die Windschutzscheibe durch die starre Verbindung zum Metallgehäuse der Karosserie, nicht Schaden erleidet, sondern im Gegenteil dieser zu mehr Stabilität verhilft. Werden beide Teile der Kontaktfläche zwischen der Parabelform und der Schutzscheibe mit einem geeigneten Kleber miteinander verbunden, so kann man sich vorstellen, daß eine sehr stabile Form erreicht wird. Eine mit dem Formkörper verschweißte Wanne verstärkt diesen und bildet den rückwärtigen Schutz der Parabolform. Die Wanne wird an den Außenkanten komplett dicht geschweißt, zusätzlich an den Berührungsstellen zwischen Scheitel der Parabolrinnen und Wanne. An diesem Gehäuse kann nun der Kollektor an Trägersysteme befestigt werden.

Hochdruckleitung und Verstärkungsfaktor der Fokussierung

30cm Öffnungsweite entspräche einem Fokusfaktor von ca. 19 bei einer 5mm Druckleitung. Der Faktor der Verstärkung muß hinsichtlich zweier Faktoren berücksichtigt werden. Je höher die Verstärkung je größer der theoretische Wirkungsgrad bei hohen Temperaturen, jedoch ist die Flächenleistung je cm2 das zu lösende Problem. Ist die Verstärkung zu groß, kann die Wärmeübertragung technisch nicht mehr einfach gelöst werden, da der Energieeintrag vom Kreislaufmedium aufgenommen werden muß. Bei kleinen Rohrdurchmessern ist allerdings dieses Problem als geringfügig zu erachten (Verhältnis Oberfläche zu Volumen sehr groß).

Will man, bezogen auf Wasser, Endtemperaturen über dem kritischen Punkt erreichen, so sind Drücke über 220 bar zu beherrschen. Dies macht eine Hochdruckleitung unabdingbar, stellt aber an sich keine größeren Probleme dar. Mögliche auftretende Dampfschläge können bei dieser Technik auf Grund der dünnen Leitung als absolut unproblematisch eingestuft werden. Zum Vergleich, Standart Hochdruckreiniger mit mittlerer Leistung von bekannten Herstellern werden mit Arbeitsdrücken von 200 bar ausgeliefert.

Halterungen

Die Hochdruckleitung wird sich durch die Erwärmung entsprechend den Materialkonstanten mehr oder weniger ausdehnen. Die Fixierung der Leitung muß dementsprechend ausgebildet sein. Wird der Vorlauf und der Rücklauf an ihren Durchtrittsstellen zum Parabolrinnensystem, diese müssen an der gleichen Seite des Rahmens liegen, befestigt, so muß der Rest der Leitung in gewissen Grenzen frei beweglich fixiert werden. Mit entsprechenden Abstandshalterungen die eine Klammerung an der Oberseite haben, kann die Rohrschlange einfach nur eingedrückt werden und ist damit frei beweglich, aber fest in der Brennlinie fixiert. Die Halterungen sind immer am Anfang, in der Mitte und Ende jedes geraden Teilstückes anzubringen, mit Ausnahme der Eintrittsstelle am Vorlauf des Kollektors. Hier kann auf eine Halterung verzichtet werden, da die Leitung mit dem Rahmen direkt verbunden ist. Die Halterungen in der Mitte der geraden Abschnitte müssen die Druckleitung so fixieren, daß die Längenausdehnung in beide Richtungen erfolgen kann. Die Rundbögen werden somit in beiden Seiten gleich weit aus der Brennlinie verschoben. Dies kann von vornherein durch verkürzte Längen kompensiert werden. Die Leitung liegt dann im Arbeitstemperaturbereich auf ihrer gesamten Länge exakt in der Brennlinie.

Heißgasseite

Am Rücklauf der Druckleitung muß eine besondere Isolation zum Kollektorrahmen erfolgen, da hier bei vollem Sonnenschein sehr hohe Temperaturen auftreten. Die Druckleitung verläuft hier in einem Doppelmantel. Die innere Mantelleitung ist am Rahmen verschweißt und nach einer gewissen Leitungslänge mit der Druckleitung verbunden. Über diese erste Mantelleitung wird eine zweite Mantelleitung angebracht, die als Isolationsleitung zum Verbraucher führt. Diese zweite Leitung wird an der ersten Mantelleitung durch geeignete Dichtungstechniken, z.B. Schneidringverschraubungen, möglichst nahe am Kollektoraustritt verbunden. Je länger die Wegstrecke zwischen den Anschlußpunkten der ersten Isolationsleitung ist, je geringer sind die Verluste.

Nachführung

Da der PRK mit einer Fokussierung arbeitet, muß er zwangsweise der Sonne nach geführt werden. Dies macht ein Nachführsystem notwendig. Ein Kollektor, welcher der Sonne nach geführt wird, hat gegenüber einem fest installierten Kollektor eine wesentlich größere Energieausbeute. Der Faktor, abhängig von der jeweiligen Jahreszeit, ist z.B. bei einer Bestrahlung von 180° Sonnenkreis, entspricht der Tag- und Nachtgleiche im März und September, ca. 1,5. Es genügt den Kollektor in nur einer Achse der Sonne nachzuführen und entsprechend dem Breitengrad des Aufstellungsortes in seiner Neigung aufzustellen (Breitengrad = Neigungswinkel), da der Unterschied hier nur um den Faktor 0,95% variiert.

Diffuse Strahlung

Auf Grund des Rohrdurchmessers wird auch immer ein gewisser Teil der diffusen Strahlung auf die Hochdruckleitung fokussiert. Mit den Abmessungen in den beigefügten Anlagen wird z.B. ein Einstrahlungswinkel zwischen 2,2° und 25,6° erreicht. Der Sonnenkollektor wird seine Leistung noch bis zu bestimmten atmosphärischen Abschattungen aufrecht erhalten und auch bei stärkerer Bewölkung immer eine minimale Leistung erzielen.

Verspiegelung

Eine entscheidende Rolle spielt die Verspiegelung. Da der Wirkungsgrad direkt von der Qualität des Spiegels abhängig ist, ist auf diesen besonderen Wert zu legen. Oberflächenspiegel haben die besten Reflexionsgrade und erreichen Faktoren von bis zu 95%. Da dieses Gebiet ein eigenständiges komplexes Thema darstellt, soll dieses hier nicht weiter behandelt werden. Es wird zu entscheiden sein, ob eine polierte Oberfläche, in diesem Falle nicht rostende Stahlbleche oder Hochglanzaluminium, eine Hartchromveredelung oder eine Bedampfung bestimmter Metalle (Oxyde) die optimale Lösung darstellt. In der Entscheidungsfindung wird die Haltbarkeit der Oberfläche gegenüber der Strahlungswärme der Druckleitung und die Alterungsbeständigkeit, ebenso wie die Herstellungskosten mit berücksichtigt werden müssen.

Parabolform

Die günstigste Parabelform für die Parabolrinne hängt von verschiedenen Faktoren ab:

  • – Materialeinsatz, es muß die günstigste Form in Bezug auf den geringsten Materialeinsatz zur Anwendung kommen;
  • – Es muß die größte Öffnungsweite die herzustellen ist umgesetzt werden;
  • – Die Form muß den entstehenden statischen Beanspruchungen standhalten;

Dabei ist zu beachten, daß je größer die Öffnungsweite der Parabolrinne ist die Schutzscheibe stärker sein wird, dadurch größeres Gewicht und Verluste hat. Die statischen Belastungen werden bei einer flachen, gegenüber einer tiefen, Form wesentlich größer sein, da die auftretenden Kräfte an den Flanken sich gegenseitig aufheben. Nur die äußeren Flanken müssen diesen Kräften standhalten, können aber von Außen leicht verstärkt werden, wenn es notwendig sein sollte. Eine Parabelform mit Öffnungsweite von ca. 300mm und eine Tiefe von ca. 300mm würde ein ausreichend gutes Ergebnis liefern. Hier die optimale Lösung zu finden wird die Praxis zeigen müssen.

Maximalleistung

Wenn ein Kollektorfeld als größere Einheit zur Stromerzeugung oder Prozeßdampferzeugung aufgestellt werden sollte, ist es sinnvoll größere Einzelsysteme einzusetzen. Die einzelne Kollektorgröße könnte im besten Falle vielleicht 6×6 Meter sein, dies entspräche einer Einzelleistung von etwa 25KW (70%Wirkungsgrad). Eine Installation mit 1000 solcher Einheiten hätte eine Gesamtleistung von 25MW (bezogen auf Prozeßdampf). Zum Vergleich: In einem der Sonnenkraftwerke in der Mojave-Wüste, wurden 400.000 Reflektoren eingesetzt. Es ist also durchaus denkbar mit dieser Technik in ähnliche Bereiche zu kommen, mit denen größere Leistungsbereiche ebenfalls abgedeckt werden könnten.

Material

Als Ausgangspunkt könnte ein Edelstahlblech, in das durch Tiefziehen die Parabolrinnenform eingepreßt wird, dienen. Die Oberfläche könnte durch geeignete Verfahren zu einem Oberflächenspiegel veredelt werden. Werkzeuge in solchen Dimensionen sind allerdings sehr aufwendig und deshalb sehr teuer. Aus diesem Grund könnte die Herstellung der Parabolform und die Verspiegelung auch so gelöst werden, daß das Formstück aus Halbrohren und Halbschalenbögen (180°) zusammengeschweißt wird und Parabolrinnenspiegel und Parabolrinnnenbögen in dieses Formstück eingeklebt werden. Benutzt man Glas als Schutzscheibe, so wird das Gewicht relativ schwer. Das Problem der auftretenden Kräfte durch das Vakuum kann als gelöst betrachtet werden, da moderne absolut plane Bildschirmröhren zum Teil Spannweiten von weit über 60 cm haben. Es ist denkbar, anstelle des Werkstoffes Glas spezielle Oberflächen veredelte Plexiglasvarianten zu benutzen, oder in Verbundbauweise zu kombinieren. Die Praxis wird zeigen welche Variante die besten Lösungen bringen.

Eine weitere technische Lösung könnte der Werkstoff Aluminium im Druckgußverfahren bieten. Ebenfalls wie mit Stahl könnte eine komplette einzelne Form gegossen werden. Hier gilt das gleiche wie mit Stahl, Werkzeugstücke in größeren Abmessungen sind sehr teuer, weshalb eine Möglichkeit darin bestünde Stranggußprofile für die Geraden Teilstücke zu verwenden und einzelne Halbbögen aus Aludruckguß. Der komplette Kollektor könnte mit Klebetechnik in beliebiger Größe aufgebaut werden.

Verbundwerkstoffe wie GFK, KFK könnten ebenfalls in Betracht kommen. Jedoch stellt die Lösung in Glas und Edelstahl oder Aluminium nach Auffassung des Verfassers die optimale und vor allem in Bezug auf Langlebigkeit wahrscheinlich die beste Lösung dar.

Schlußbetrachtung

Die hier vorgestellte Erfindung einer geschlossenen Parabolrinnentechnik hat gegenüber der bisher zum Einsatz kommenden Technik in offener Bauweise entscheidende Vorteile.

  • – kompakte Bauweise, dadurch einfache Installation;
  • – hermetisch geschlossenes Gehäuse, unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen;
  • – wenig Arbeitsschritte in der Herstellung, daher gut geeignet für eine Serienproduktion;
  • – hohe Endtemperaturen, geeignet für alle energetischen Einsatzbereiche;
  • – Im Kleinstbereich bis hin zu großen Feldinstallationen umsetzbar;

Die Qualität der technischen Umsetzung kann anhand folgender Parameter beurteilt werden:

  • – Wirkungsgrad;
  • – Endtemperatur des Mediums;
  • – Langzeitverhalten;

Als Ziel sollten folgende Werte erreicht werden: Der Wirkungsgrad hängt hauptsächlich von drei Faktoren ab: Transmission der Glasscheibe, Reflexionswert des Spiegels, Absorbtionswert der Hochdruckleitung; setzt man für alle drei Kenngrößen einen Maximalwert von 90% als Faktor ein, so käme man auf einen theoretischen Wirkungsgrad von 72%. Dies wäre für die Praxis der maximal zu erreichende Wirkungsgrad. Allerdings müssen hiervon noch die Rückstrahlverluste abgezogen werden. Diese sind vom Arbeitspunkt abhängig und können nicht pauschal angegeben werden.

Die Endtemperatur wird zum einen durch die eingesetzten Materialien und zum anderen durch den Fokusfaktor bestimmt. Setzt man Stahl und Glas ein, so sind der Endtemperatur weite Grenzen vorgegeben. Temperaturen von weit über 400°C wären denkbar.

Die Fokussierung so groß wie möglich umzusetzen spielt dabei eine ebenfalls entscheidende Rolle. Die Grenzen werden durch die Schutzscheibe vorgegeben.

In Bezug auf die Investitionskosten müssen solartechnische Produkte, um auf dem Markt attraktiv zu sein, mit sehr langen Laufzeiten aufwarten können. Edelstahl und Glas bieten der Umwelt geringste Angriffsmöglichkeiten, so daß bei normalen Betriebsbedingungen mit einer Lebensdauer von mindestens 25 Jahren ausgegangen werden kann.

Die Erfindung bezieht sich darauf, wie ein Hochdruck-, Hochtemperatur – Sonnenkollektor aufzubauen ist und nicht auf die tatsächliche Ausführung in der Anwendung von verschiedenen Materialien. Wie unter Punkt Material beschrieben, können verschiedenste technische Lösungsmöglichkeiten zur Anwendung gelangen. Der prinzipielle Aufbau ist aber stets gleich.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels mit Details erläutert. Es zeigen

1 eine Gesamtansicht,

2 Detail – Halteklammern für Hochdruckleitung,

3 Detail – Doppelmantel am Rücklauf,

4 Detail – Schnitt quer zur Rinne,

5 einen Einstrahlungswinkel minimal und

6 einen Einstrahlungswinkel maximal.

1 – Gesamtansicht:

Es wird eine im Querschnitt parabolförmige Rinne 7, welche in einem einzigen Formstück in einer beliebigen Art verläuft, hergestellt.

1 – Lage der Hochdruckleitung:

Dabei liegt die Brennlinie F innerhalb der Rinne 7, nicht außerhalb. Die Innenseite der Parabolrinne 7 muß verspiegelt werden. Eine Hochdruckleitung 8 wird in die Parabolrinnenform so eingebaut, daß diese über den gesamten Verlauf der Parabolrinne 7 in deren Brennlinie F liegt. Die Hochdruckleitung 8 wird nur an ihren Ein- 9 und Austrittspunkten 10 mit dem Formstück 17 fest verbunden.

2 – Fixierung der Hochdruckleitung:

Die Druckleitung 8 wird mit speziellen thermisch verlustarmen Stahlklammern 11 fixiert und bleibt dadurch in der Brennlinie F für Temperaturausdehnungen in ausreichendem Maße beweglich.

3 – Schutzscheibe 12

Über die komplette Form wird eine durchsichtige Scheibe 12 angebracht. Diese Schutzscheibe 12 wird mit der Parabolform auf der gesamten Kontaktfläche 14 verklebt. Der entstandene Hohlraum 13 wird evakuiert, so daß die Hochdruckleitung 8 isoliert und der Oberflächenspiegel geschützt ist.

3 Statik:

Die Flanken des Parabolrinnensystems, diese entsprechen den Schenkeln der Parabel, stützen die Schutzscheibe 12 und nehmen dadurch die entstehenden Kräfte, welche durch das Vakuum entstehen, auf.

4 – Heißgas Rücklauf:

Damit die thermischen Verluste in jedem Detail möglichst gering sind, wird der Heißgas – Rücklauf 10 mit einem Doppelmantelsystem 18 und 19 besonders berücksichtigt.

Mit diesem Konzept ist ein geschlossener Hochdruck-, Hochtemperatur -Sonnenkollektor entstanden, den man als Parabolrinnenkollektor oder kurz Fokuskollektor, bezeichnen könnte und der als Direktverdampfer geeignet ist.

7Parabolrinnenform, mäanderförmig (Rinne) 8Hochdruckleitung (Absorber/Leitung, ein Medium führend) 9Vorlauf (Eintrittspunkt) 10Rücklauf (Austrittspunkt) 11Stahlklammer (Halteklammer) 12Schutzscheibe (Glasplatte/lichtdurchlässige Platte) 13Vakuumraum (Hohlraum) 14Klebefläche (Kontaktfläche/Flanken) 15Bolzen 16Schraube 17Kollektorgehäuse (Formstück) 18innere Manteleinteilung 19äußere Manteleinteilung 18 und 19Doppelmantelsystem 20Vakuum – Doppelmantel zum Verbraucher 21Schneidringverschraubung ASchnittzeichnung Längsrichtung BSchnittzeichnung Querrichtung CSonnenseite DParabelöffnung EParabeltiefe FBrennpunkt (Brennlinie) SParabelscheitel GEinstrahlungswinkel

Anspruch[de]
  1. Sonnenkollektor mit einer parabelförmigen verspiegelten Rinne (7), in deren Brennlinie (F) eine ein Medium führende Leitung (8) verläuft, wobei die parabelförmige Rinne (7) einen Verlauf aufweist, der die Fläche eines Formstücks (17) ausfüllt, das Formstück (17) von einer lichtdurchlässigen Platte (12) abgedeckt ist, wobei die Flanken der Parabelform die Brennlinie (F) derart überragen, daß die ein Medium führende Leitung (8) mit überdeckt wird und dabei die Flanken der Rinne (7) die lichtdurchlässige Platte (12) stützen und der Hohlraum (13) zwischen der lichtdurchlässigen Platte (12) und dem Formstück (17) evakuiert ist dadurch gekennzeichnet, daß die ein Medium führende Leitung (8) eine dünne Hochdruckleitung ist.
  2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinne (7) mäanderförmig verläuft.
  3. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinne (7) wie eine Schneckenform ausgebildet ist.
  4. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium normales Frischwasser ist.
  5. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er für den Betrieb eines Kleinkraftwerks ausgelegt ist.
  6. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Formstück (17) ein Blechtiefziehteil ist.
  7. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässige Platte (12) mit den Flanken der Rinne (7) verklebt ist.
  8. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Formstück (17) rückwärtig durch eine Wanne verstärkt ist.
  9. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (8) derart gelagert ist, daß eine Längenausdehnung in beide Richtungen erfolgen kann.
  10. Sonnenkollektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Halteklammern (11) für die Leitung (8) vorgesehen sind, wobei die Leitung (8) durch Eindrücken in eine Klammerung der Halterklammern (11) frei beweglich aber fest in der Brennlinie (F) fixiert ist.
  11. Sonnenkollektor nach Anspruch 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der Leitung (8) derart bemessen sind, daß die Rundbögen im Arbeitstemperaturbereich exakt in der Brennlinie (F) liegen.
  12. Sonnenkollektor nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Rücklauf (10) der Leitung (8) zum Verbraucher isoliert ist.
  13. Sonnenkollektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation als Doppelmantel ausgestaltet ist.
  14. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem Nachführsystem ausgestattet ist, durch das er der Sonne nachgeführt wird.
  15. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Parabelform der parabelförmigen Rinne (7) eine große Öffnungsweite aufweist.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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