DE2850967A1 - Solarstrahlungs-empfangssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Solarenergiewandlungssystem.

Es sind bereits verschiedene Solarenergie-Konzentrierungsund Wandlungs-Systeme bekannt. Dabei wird ein zentraler Turm von mehr als 50 m Höhe verwendet, um den herum Spiegel, d. h. Solarstrahlungsreflektoren, am Boden verteilt sind. Diese lenken die Strahlung zum oberen Ende des Turins um, an dem ein Empfänger zur Absorption der Strahlungsenergie angeordnet ist. Der Empfänger weist im wesentlichen eine rohrförmige oder eine andere Strömungskanalkonfiguration auf, wobei Strahlungsabsorptionsflachen ein Wärmeaustauschmedium und/oder ein Arbeitsmedium, welches hindurchströmt, erhitzen. Die Reflektoren am Erdboden folgen dem Lauf der Sonne und richten die Strahlung stets zur Spitze des Turins hin. Typische Anordnungen dieser Art sind z. B. in den US-Patenten 3 924 604 und 3 906 927 beschrieben.

Wie bei allen Energie-Wandlungssystemen, treten auch hier bestimmte Verluste der aufgefangenen Energie auf. Ein Teil dieser Verluste beruht auf den Grundgesetzen der Thermodynamik. Andere Verluste beruhen auf bestimmten den verwendeten Geräten innewohnenden Mängeln. Es wurde festgestellt, daß Solarwandler init einem Empfänger der genannten Art mit vergleichsweise hohen Wärmeverlusten behaftet sind. Diese Wärmeverluste kommen zustande durch Reflexion von der.Isolierung und durch Strahlung anderer Art vom Empfänger nach außen, d. h. aus dem Gesamtsystem heraus. Natürlich ist man bestrebt, bei derartigen Systemen die Absorptionseigenschaften des Empfängers nach^Möglichkeit zu maximieren. Dennoch wird ein erheblicher Teil der von unten zum Empfänger gerichteten Strahlung aus dem System herausreflektiert. Darüber hinaus ist typischerweise die schwarze Strahlung einer Vorrichtung umso stärker je besser deren Absorptionseigenschaften sind.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Wirkungs-

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grad und die Wirksamkeit von Solarenergiewandelsystemen mit einem Empfänger und einer Vielzahl von rund um den Empfänger angeordneten und die Solarenergie zum Empfänger hin richtenden Reflektoren zu verbessern.

Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Solarenergiewandlungssystem zu schaffen, bei dem ein Empfänger an der Spitze eines Turms angeordnet ist und bei dem eine Vielzahl von verstellbaren und positionierbaren Spiegeln am Boden rund um den Turm angeordnet sind.

Erfindungsgemäß wird der obere Teil des Empfängers des Solarenergiewandlungssystems mit einem Schirm abgedeckt, welcher vorzugsweise eine kegelstumpfförmige Gestalt hat und derart angeordnet·ist, daß die vom Reflektorsystem zum Empfänger reflektierte und vom Empfänger zurückreflektierte Solarstrahlung von diesem Schirm aufgefangen wird. Der Schirm hat eine spiegelnde Reflexionsfläche und dient der Rückreflexion der Strahlung zurück zum Empfänger, wo sie absorbiert wird. Der Empfänger hat eine Oberfläche, welche zur Maximierung der Absorption eine hohe Emittanz aufweist. Die dem Empfänger zugewandte Schirmfläche hat eine sehr niedrige Emittanz, um die Rückreflexion der Strahlung zum Empfänger hin zu maximieren. Diese zum Empfänger zurückzureflektierende Strahlung hat den Empfänger aufgrund der erwähnten Restreflexion verlassen. Ferner wird sie vom Empfänger aufgrund seiner erhöhten Temperatur ausgesandten Strahlung vom Schirm zum Empfänger zurückreflektiert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines verbesserten Solarenergiewandlungssystems gemäß vorliegender Erfindung und

Fig. 2 eine Schnitt durch den Schirm des Systems gemäß Fig.l.

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Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung die Gesamtanlage des erfindungsgemäßen verbesserten Solarenergiewandlungssystems. Dieses umfaßt einen zentralen Turm, welcher an seiner Spitze eine Empfängereinheit 11 aufweist. Diese ist derart konstruiert, daß sie Solarenergie in thermische Energie umwandelt und eine geeignete Flüssigkeit erhitzt. Die Empfängereinheit 11 absorbiert die Solarenergie und erhitzt eine darin enthaltene und durch Kanäle des Empfängers 11 strömende Arbeitsflüssigkeit. Die erhitzte Flüssigkeit kann in Wärmeaustauschbeziehung zu einer anderen Flüssigkeit treten oder sie kann selbst durch den Turm nach unten geführt werden und in einem Kraftwerk 12 genutzt werden. Diese Teile der Anlage sind herkömmlicher Natur. Es handelt sich dabei im wesentlichen um die Umwandlung der thermischen Energie in elektrische Energie. Zur Ausnutzung der thermischen Energie kann mah auch einen thermischen Puffer verwenden, welcher von der Anmelderin in früheren Anmeldungen beschrieben wurde.

Die Solarenergie wird durch eine große Anzahl von Reflektoren 13 aufgefangen, welche am Boden rund um den Turm 10 in Feldern oder Reihen angeordnet sind. Das Reflektorenfeld kann aus einer großen Anzahl von Plattformen bestehen, welche einzelne Reflektoren tragen und welche dem Lauf der Sonne folgen. Alle diese Reflektoren richten die Solarenergie zum Empfänger 11 am oberen Ende des Turms 10 hin. Der .Turm kann 100 bis 300 m hoch sein. Der bisher beschriebene Teil des Energiewandlungssystems ist von herkömmlicher Öauart. Nun soll die erfindungsgemäße Verbesserung beschrieben werden, nämlich ein Schirm 20, welcher wie eine Haube am oberen Ende des Empfängers 11 auf dem Turm 10 angeordnet ist. Dieser Schirm sowie der Aufbau des Turms 10 am oberen Ende sind im einzelnen in Fig. 2 gezeigt.

Der Schirm besteht im wesentlichen aus einem Rahmen 21, dessen oberes Ende zylindrische Gestalt hat. Diese Konfiguration wird in der Hauptsache aus Gründen der Bequemlichkeit gewählt, und zwar insbesondere im Hinblick auf die Positionierung des Schirms 20 am oberen Ende 15 des

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Turms 10. Rund um dieses obere Ende 15 des Turms 10 sind Kanäle und Rohre 16 angeordnet, welche den Empfänger 11 darstellen. Wie erwähnt, werden diese Rohre von einem Wärme— austauschmedium durchströmt. Sie weisen eine in hohem Maße absorbierende Außenfläche zum Auffangen der Solarenergie auf.

Der Schirm hat einen kegelstumpfförmigen Rahmen 22 , welcher auf der Innenseite einen in ähnlicher Weise kegeistumpfförmig ausgebildeten Reflektor 25 trägt.Der Winkel des Reflektorkegels liegt im Bereich von 60 bis 120 . Somit bildet die Schirmreflektorfläche einen Winkel zur Turmachse von 3O bis 6O . Bei einem typischen Anwendungsfall hat der Schirmspiegel einen Scheitelwinkel von 9O °, so daß die Reflektorfläche eine Neigung von 45 ° zur nächstgelegenen Empfängerfläche aufweist. Darüber hinaus ist der Schirm derart angeordnet, daß seine äußere untere Kante 23 sich mindestens bis zur Hälfte der vertikalen Abmessung des eigentlichen Empfängers nach unten erstreckt, d. h. über mindestens die Hälfte der Länge der Rohre 16 hinab.

Wie erwähnt, ist eine reflektierende Fläche 25 zur Erzielung einer starken Spiegelreflexion vorgesehen. Ein Teil der Strahlung wird vom Empfänger 11 und insbesondere von den Außenflächen der Rohrleitungsteile nicht absorbiert. Vielmehr unterliegt diese Strahlung in einem beträchtlichen Ausmaß der Spiegelreflexion und/oder der diffusion Reflexion. Diese reflektierte Strahlung wird von der reflektierenden Fläche 25 des Schirms 20 aufgefangen. Allgemein gesprochen, sollte die mittlere Strahlungsrichtung der vom Reflektorsystem 13 nach oben reflektierten Strahlung (in jeder beliebigen vertikalen Ebene durch die-Achse des Turms und des zylindrischen Empfängers) einen derartigen Einfallswinkel relativ zum Empfänger haben, daß eine reflektierte Komponente dieses mittleren Strahls einen Einfallswinkel auf dem Schirm von etwa 90 aufweist. Daher wird diese reflektierte Strahlung

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etwa zum gleichen Ort des Empfängers 11 zurückreflektiert, von dem die Strahlung reflektiert wurde. Auf diese Weise entweicht nur ein sehr geringer Anteil der vom Empfänger reflektierten Solarstrahlung aus dem System. Daher wird jegliche vom Empfänger 11 reflektierte und nicht absorbierte

und

Strahlung zum Schirm hin gerichtet /von diesem durch Spiegelreflexion zum Empfänger zurückgesandt.

Der Empfänger 25 kann aus hochpoliertem Stahl bestehen. Es muß ein ausgewogenes Verhältnis zwischen strukturellem Zusammenhalt (Festigkeit) und thermischer Festigkeit auf der einen Seite und höchstmöglichem Reflexionsvermögen auf der anderen Seite verwirklicht werden. Es wurde beobachtet, daß die Schirmtemperatur mit dem Schirmreflektor-Emissionsvermögen rasch ansteigt und bei einem Emissionsvermögen (Verhältnis der emittierten Strahlungsenergie zur Strahlungsenergie)bei einem idealen schwarzen Körper gleicher Fläche und gleicher Temperatur (von 0,2)in der Größenordnung von 150 ⁰C liegt. Ein solcher Schirm ist äußerst wirksam und mindert die Wärmeverluste des Empfängersystems insgesamt um etwa 30 %.

Es sollte bemerkt werden, daß eine beträchtliche Strahlungsmenge aus dem Empfänger und aus dessen Teilen austritt. Dies beruht darauf, daß die Oberfläche des Empfängers natürlich für die Solarenergie über einen möglichst weiten Spektralbereich ein hohes Absorptionsvermögen aufweist. Andererseits werden die Empfängerteile selbst recht heiß. Aufgrund des Gesetzes der Strahlung eines schwarzen Körpers strahlen -diese erhitzten hochabsorbierenden Flächen des Empfängers sehr stark, und zwar insbesondere im Infrarotbereich. Auch ein erheblicher Teil dieser abgestrahlten Energie wird durch den Reflektor des Schirms zum Empfänger zurückgeschickt.

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Schließlich sollte bemerkt werden, daß der Schirm auch WärmeVerluste aufgrund von Wärmeleitungsvorgängen zwischen den heißen Empfängerteilen und der Umgebungsatmosphäre vermindert. Durch die Reflektorflächen wird eine Konvektionsströmung der Luft beträchtlich herabgesetzt und die mehr oder weniger stagnierende Luft unter dem Schirm wird recht heiß. Demzufolge wird der effektive Temperaturgradient in Nachbarschaft zur Außenfläche des Empfängers und von dessen Teilen herabgesetzt, wodurch wiederum Wärmeverluste an die Umgebung herabgesetzt werden.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt. Man kann z. B. die Bodenreflektoren derart anordnen, daß sie den Turm nicht vollständig umgeben. Man kann z. B. auf der Südseite des Turms auf Reflektoren verzichten. In diesem Falle muß der Empfänger 11 auch keine nach Süden gerichtete Rohre 16 aufweisen und der¹ Schirm muß in diesem Bereich keine Reflektoroberfläche aufweisen.

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Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE

   / Λ.) Solarstrahlungswandlungssystem mit einem Empfänger zur Absorption von Solarenergie und einem Reflektorsystem zur Umlenkung der Solarstrahlung zum Empfänger hin, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Empfänger (11) ein Schirm (2.0) derart angeordnet ist, daß er die vom Empfänger (11) reflektierte Strahlung auffängt und durch Spiegelreflexion zum Empfänger 11 zurückschickt.
2. 2. Solarstrahlungswandlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfanger(11) eine zylindrische Gesamtkonfiguration aufweist und an einer erhöhten Stelle angeordnet ist und vollständig oder teilweise von am Boden angeordneten Reflektoren (13) des Reflektorsystems umgeben ist und daß der Schirm (20) über dem Empfänger (11) eine kegeistumpfförmige Gestalt hat.
3. 3. Solarstrahlungswandlungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheitelwinkel des kegelstumpfförmigen Schirms im Bereich von 60 bis 12O liegt.
4. 4. Solarstrahlungswandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Schirm (22) bis zu einem Punkt abwärts erstreckt, welcher um mehr als die Hälfte der Länge des Empfängers (11) unter dom oberen Ende des Empfängers (11) liegt.
5. 5. Solarstrahlungswandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (2O) eine spiegelnde Reflexionsfläche (25) aus poliertem Stahl aufweist.
6. 6. Solarstrahlungswandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (20)

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   ORIGINAL iHSPECTBD

   den Empfänger (11) umgibt aber im Bereich des Strahlungspfades des Reflektorsystems (13) offen ist.
7. 7. Solarstrahlungswandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (11) am oberen Ende eines Turms (10) angeordnet ist und daß der Schirm (20) am oberen Ende des Empfängers (11) angeordnet ist.
8. 8. Solarstrahlungswandlungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (20) einen Scheitelwinkel von etwa 90 aufweist.

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