DE2444090A1

DE2444090A1 - Sonnenkraftwerk

Info

Publication number: DE2444090A1
Application number: DE2444090A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl Phys Dr Siewers
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-09-14
Filing date: 1974-09-14
Publication date: 1976-04-01

Description

Sonnenkraftwerk Die Erfindung betrifft ein Sonnenkraftwerk, das zur Wärmeenergieerzeugung aus Sonnenenergie verwendet wird.
In der Vergangenheit wurden bereits Überlegungen angestellt und Versuche durchgeführt, die Sonnenenergie in Ergänzung zur fossilen und nuklearen Energie zu nutzen, da die Sonnenenergie sich insbesondere als umweltfreundliche Energiequelle anbietet.
Die Schwierigkeit bei der Erzeugung von Energie aus Sonnenenergie besteht darin, daß die Wärmeverluste bei Sonnenkraftwerken möglichst gering gehalten werden sollen, um die eingestrahlte Energie als Wärmequelle nutzbar machen zu können. Für die Wärmeverluste sind drei Mechanismen verantwortlich: Die Wärmestrahlung, Wärmeleitung und Konvektion.
Bei Sonnenenergiewandlern besteht also die grundsätzliche Aufgabe darin, Wärmestrahlung, Konvektion und Wärmeleitung möglichst gering zu halten. Darüber hinaus muß im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit eines Sonnenkraftwerks Wert gelegt werden auf einen möglichst einfachen, kostengünstigen Aufbau und auf eine einfache Bedienungsweise der Anordnung.
Die genannten Aufgaben werden durch das erfindungsgemäße Sonnenkraftwerk in hohem Maße dadurch gelöst, daß ein parabolischer Zylinder vorgesehen ist, um die Sonnenstrahlung auf eine Brennlinie zu fokusieren.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, in der Brennlinie des Fokusierungssystems ein Wärmespeichermedium durch eine Rohrleitung zu schicken, um die Strahlungsenergie abführen zu können und Wärmekraftuiaschinen, oder einen Wärmeenergiespeicher zuzuführen.
Die Rohrleitung sollte möglichst dem Ideal eines schwarzen Körpers nahekommen, damit möglichst viel Sonnenenergie absorbiert werden kann. Zu diesem Zwecke wird die Rohrleitung beispielsweise mit Nickelsulfid beschichtet.
Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, die Drehachse des Fokusierungssystems in die Brennlinie des parabolischen Zylinders zu legen, und auch die Schwerpunktlinie mit der Brennlinie zusammenfallen zu lassen, so daß auf diese Weise ohne großen Kraftaufwand der Parabolspiegel den täglichen bzw. jahreszeitlichen Sonnenstandsänderungen nachgeführt werden kann, und die Antriebskraft praktisch nur die Reibungskräfte überwinden muß. Damit die Schwerpunktlinie des Systems mit der Brennlinie zuRammenfälltZ muß die Parabelhöhe das 2,45fache der Parabelbrennweite aufweisen, wie im weiteren nach beschrieben werden wird. Die Brennlinie kann in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet sein, wobei der Parabolzylinder der täglichen Sonnestandsänderung durch Drehung nachgeführt wird, oder die Brennlinie kann in Ost-West-Richtung ausgerichtet sein, wobei in diesem Falle dann der Parabolzylinder dem Jahreszeitlichen Sonnenstand nachgeführt werden muß. Um die zeitlichen Sonnenstand nachgeführt werden muß. Um die Herstellung des Parabolzylinders zu vereinfachen und zu erleichtern, kann der Parabolzylinder aus mehreren Parabolzylinder-Segmenten zusammengesetzt sein, die einzeln justiert werden können.
Zur Verringerung der Wärmeverluste aufgrund der Konvektion und der Wärmeleitung weist die Erfindung das wesentliche Merkmal auf, daß die Rohrleitung von einem zur Rohrleitung konzentrisch angeordneten, strahlungsdurchlässigen Rohr umgeben ist, wobei zwischen Rohrleitung und strahlungsdurchlässigem Rohr ein Vakuum erzeugt wird. Das strahlungsdurchlässige Rohr sollte die Eigenschaft besitzen, Strahlung von außen durchzulassen, und von der Rohrleitung kommende Stratänig möglichst gut zu reflektieren. Dazu wird vorzugsweise ein entspiegeites Glasrohr verwendet, oder ein strahlungsdurchlässiges Rohr entsprechend beschichtet.
Da der Parabolzylinder relativ schwierig zu reinigen ist, ist eine ebene Glasdach-Abdeckung vorgesehen, die leichter sauber zu halten ist, und unter diesem Glasdach können sich neben dem Fokusierungssystem Pflanzenkulturen befinden.
Um die tageszeitlichen und jahreszeitlichen Energieschwankungen auszugleichen, kann die Rohrleitung mit einem Wärmespeicher in Verbindung stehen, der die erhaltene Energie speichert, und von der die Energie dann kontinuierlich abgenommen werden kann. Es ist auch möglich, die Rohrkeitung direkt mit Wärmekraftmaschinen zu verbinden, um die vom Sonnenkraftwerk erhaltene Wärme in mechanische oder elektrische Energie umzusetzen. Die vom Sonnenenergiesammler gewonnene Wärme kann beispielsweise auch direkt zur Meerwasserentsalzung verwendet werden, oder die e Abwärme der Wäraekraftmaschinen kann diesem Zwecke dienen.
Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekemineichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einer einzigen Figur beispielsweise näher erläutert.
Für die Wärmeverluste ist die Wärmestrahlung, die Wäremleitung und die Konvektion verantwortlich.
Zieht man zunächst die Wärmestrahlung in Betracht, so ist bekannt, daß ein schwarzer Körper, der zur Strahlungsabsorption notwendig ists auch eine entsprechend hohe Abstrahlung aufweist. Nach dem Bolzmann'schen Strahlungsgesetz ist die Wärmestrahlung S der vierten Potenz der absoluten Temperatur T und der Oberfläche F des strahlenden Körpers proportional S - o-F-T4 Um die Strahlungsverluste zu verringern muß also die Oberfläche F des Strahlungskörpers möglichst klein sein. Ein schwarzer Körper strahlt bei 6000K etwa dreimal soviel Wärmeenergie ab, wie pro Flächeneinheit an Sonnenenergie absorbiert wird. Fokusiert man jedoch die Sonnenstrahlen um den Faktor 30 - das bedeutet, daß man die Fläche F um einen Faktor 30 verringert - , so strahlt der Körper nur noch 10% der eingestrahlten Sonnenenergie ab.
Zur Ausführung dieser Aufgabe dient ein Parabolischer Zylinder mit einer Öffnungsweite von etwa 1 bis 2 Metern.
In der Brennlinie dieses Zylinders wird die Sonnenstrahlung fokusiert uid heizt ein Wärmespeichermedium, das durch ein in der Brennebene liegendes Leitungsrohr hindurchgeschickt wird, auf. Als Leitungsrohr kann beispielsweise ein Stahlrohr von ca. 1 cm Durchmesser verwendet werden. Als Wärmespeiehermedium dient eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder ein Gas bzw. ein Gasgemisch. Bei einer Öffnungsweite des parabolischen Zylinders von 1 bis 2 Metern erhält man eine Aufheizung des Wärmespeichermediums auf ca. 3000C, oder wenn man bei einem 1 cm dicken Leitungsrohr eine Öffnungsweite des Parabolzylinders von 3 Metern verwendet -dies entspricht etwa einem Fokusierungsfaktor von 100 erreicht man Temperaturen bis zu 10000C, so daß das Sonnenkraftwerk auch zur Durchführung chemischer Prozesse, beistoff spielsweise zur Erzeugung von Wasser verwendet werden kann (CH4 + 2H20 + Energie - CO + 4H ).
2 2 Der Parabolzylinder kann insbesondere bei großen Anlagen aus einzelnen Parabolzylinder-Segmenten zusammengesetzt werden, so daß die Herstellung vereinfacht und die Justierung erleichtert wird. Die Spiegelfläche ies Parabolzylinders kann beispielsweise aus einem Glasspiegel, aus Metallfolie oder aus aufgedampftem Metall bestehen, oder der gesamte Parabolzylinder kann aus Spiegelglas hergestellt sein.
Die Ausbildung der Spiegelfläche muß der Größe der Anlage, der Verwendungsform und den Materialien angepaßt sein, um die Herstellungskosten möglichst gering zu halten.
Das Leitungsrohr soll dem Ideal eines schwarzen Körpers möglichst nahe kommen, und muß dementsprechend beschichtet sein, beispielsweise kann das Leitungsrohr mit Nickelsulfid beschichtet werden. Das Material zur Beschichtung des Rohrs muß auch in Hinblick darauf ausgewählt werden, daß es auch bei hohen Temperaturen noch chemisch stabil ist.
Die Brennlinie, und damit das Leitungsrohr kann in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet sein, wobei der Parabolspiegel dann dem tageszeitlichen Sonnenstand nachgeführt werden muß. Es besteht auch die Möglichkeit , die Brennlinie des Fokusierungssystems in Ost-West-Richtung auszurichten, wobei das Spiegel system in diesem Falle den jahreszeitlichen Sonnenstandsänderungen nachgeführt werden muß. Um die Nachführung möglichst einfach zu gestalten, und um den Energieaufwand und den Konstruktions- und Materialaufwand möglichst klein zu halten, fällt die Drehachse des Fokusierungssystems mit der Brennlinie zusammen.
Dies hat auch den Vorteil, daß das Leitungsrohr fest montiert sein kann, und der Parabolzylinder um dieses Leitungsrohr gedreht wird. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß die Schwerpunktslinie des Parabolzylinders ebenfalls in der Brennebene liegt. Dies läßt sich konstruktionsmäßig dadurch erreichen, daß die Parabelhöhe gerade das 2,45fache der Parabelbrennweite ausmacht, wie aus der nachfolgenden Berechnung zu ersehen ist: Es gilt: durch Einsetzen von erhält man Wenn dann y (x) mit den Brennlinien-Koordinaten (xB = O, YB = 1) zusammenfallen Voll, so muß sich x = 3,14 mit = = 14 = 2,45 5 s 2 erstrecken. Bei einer Parabel mit einer Öffnungsweite von 100 cm (x5 = 50 cm) muß die Parabel also so gekrümmt sein, daß die Parabelbrennlinie in einer Höhe von 15,8 cm über dem Scheitelpunkt der Parabel liegt. Die Gesamthöhe ergibt sich dann zu 15,8 x 2,45 = 39,5 cm. Alle hierzu mathematisch ähnlichen Parabolzylinder haben dann den Schserpunkt ebenfalls wit dem Brennpunkt gemein.
Zur Verringerung der Wärmeverluste auf Grund der Konvektion und der Wärmestrahlung (Diffusion) ist um die Rohrleitung ein strahlungsdurchlässiges Rohr konzentrisch angeordnet. Der Zwischenraum zwischen Leitungsrohr und strahlungsdurchlässigem Rohr wird evakuiert, so daß auf diese Weise die Wärmeverluste, die durch Konvektion und Diffusion entstehen, gering gehalten werden.
Darüberhinaus kann das strahlungsdurchlässige Rohr so gewählt werden, daß es im sichtbaren Spektralbereich durchsichtig ist, und im fernen Ultrarot die Strahlung reflektiert . Dies entspricht dem Treibhauseffekt, bei dem die Solmenstaahlung zwar eingefangen, die Wärmestrahlung aber. nicht abgestrahlt wird. Man kann dies dadurch erreichen, daß man das strahlungsdurchlässige Rohr mit entsprechenden Materialien, beispielsweise durch Aufdampfen, beschichtet. Auf diese Weise wird der Wärmeverlust auf Grund der Wärmestrahlung noch weiter verringert.
Um eine gute Reflektion des parabolischen Zylinderspiegels zu erhalten, muß dieser möglichst sauber stein. Die Sauberhaltung eines parabolischen Zylinders ist jedoch relativ schwierig. Aus diesem Grunde wird das gesamte System mit einer ebenen, lichtdurchlässigen Platte, beispielsweise einer Glasplatte abgedeckt, die leichter sauberzuhalten ist.
Unter dieser Glasplatte können neben dem Energie- Sammlersystem weiterhin Pflanzen angebaut werden, um den Raum unterhalb derttrahlungsdurchlässigen Platte optimal zu nutzen.
In der beiliegenden Figur ist schematisch das erfindungsgemäße Sonnenkraftwerk dargestellt. In der Brennlinie 2 des Parabolzylinders 1 befindet sich das geschwärzte Leitungsrohp, durch das das Wärmespeichermedium, beispielsweise Wasser oder Luft hindurchgeleitet wird. Konzentrisch um das Leitungsrohr ist ein strahlungsdurchlässiges Rohr 3, beispielsweise ein entspiegeltes Glasrohr angebracht und der Zwischenraum zwischen dem Leitungs- und dem Glasrohr wird evakuiert.
Die Rohrleitung kann beispielsweise mit einem Wärmespeicher in Verbindung stehen, um die vom Sonnenkraftwerk erzeugte Wärme zu speichern, wobei dann aus diesem Wärmespeicher die Energie kontinuier lich abgenommen werden kann. Es besteht darüber hinaus auch die Möglichkeit, die Rohrleitung direkt mit Wärmekraftmaschinen zu verbinden und das aufseheizte Wärmespeichermedium in der Rohrleitung zur Versorgung der Wärmekraftmaschinen zu verwenden. Die Abwärme der Wärmekraftmaschinen kann für die Bereitstellung von Warmwasser ausgenutzt, oder zur Meerwasser-Gntsalzung verwendet werden.

Claims

S c h u t z a n s p r ü c h e:

1. Sonnenkraftwerk, 8 d d 9 r o h g n k r n a -z e i c h n e t , daß ein parabolischer Zylinder (1) vorgesehen ist, um die Sonnenstrahlung auf ein. Brennlinie (2) zu fokusieren.

2. Sonnenkraftwert nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Brennlinie (2) eine Rohrleitung befindet, durch die ein Wärmespeichermedium geschicht wird.

3. Sonnenkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch geken-Zeichnet, das als Wärmespeichermedium eine Flüssigkeit verwendet wird.

4. Sonnenkraftwert nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmespeichermedium Wasser verwendet wird.

5. Sonnenkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein gasförmiges Wärmespeichermedium verwendet wird.

6. Sonnenkraftwerk nach wenigstend einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Brennlinie (2) liegende Rohrleitung mit einem strahlungsabsorbierendem Materialn beschichtet ist.

7. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Besch@@tung für die Rohrleitung Nickelsulfid verwendet wird.

8. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennlinie (2) des zylinderförmigen Parabolspiegels (1) die Drehachse des Fokusierungssystems darstellt.

9. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gerade, die die Schwerpunktlinie darstellt, mit der Brennlinie (2) des Fokusierungssystems zusammfällt.

10. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung (2) fest montiert ist.

11. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Parabelhöhe 2,45mal so groß gewählt wird wie die Brennweite der Parabel.

12. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Parabolspiegel (1) um die Brennlinie (2) drehbar gelagert ist.

13. Sonnenkraftwerk nach wengstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennlinie (2) in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet ist und der zylindrische Parabolspiegel (1) durch Drehung um die Brennlinie (2) der täglichen Sonnenstandsänderung nachgeführt wird.

14. Sonnenkra£twerk nach wenigstens einem der Ansprüche t bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Parabolspiegel (1) um die Brennlinie (a) eine Umdrehung pro Tag ausführt.

15. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet1 daß die Brennlinie (2) in Ost-West-Richtung ausgerichtet ist und der zylindrische Parabolspiegel (i) durch Drehung um die Brennlinie (2) der jahreszeitlichen Sonnenstandsänderung nachgeführt wird.

16. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der parabolische Zylinder (1) aus Spiegelglas hergestellt ist.

17. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelfläche des parabolischen Zylinders (1) aus Metallfolien besteht.

18. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelfläche des parabolischen Zylinders (1) aus einer aufgedampften Metallscliicht besteht.

19. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der parabolische Zylinder (i) aus mehreren parabolischen Zylindersegmenten zusammengesetzt ist.

20. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die parabolischen Zylindersegmente einzeln justiert werden.

21. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß um die Rohrleitung ein strahlungsdurchlässiges Rohr (3) konzentrisch angeordnet ist, wobei dessen Innendurchmesser grösser als der Außendurchmesser der Rohrleitung ist.

22. Sonnonkraftwerk nach wenigstens eine. der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Rohrleitung und strahlungsdurchlässigem Rohr ein Vakuum geschaffen wird.

23. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlungsdurchlästige Rohr (3) für Strahlung in einem ersten Frequenzbereich durchlässig ist und für Strahlung in einem zweiten Frequenzbereich reflektierend wirkt.

24. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlungsdurchlässige Rohr (3) derart beschichtet ist, daß es für Strahlung in einem ersten Frequenzbereich durchlässig ist und tür Strahlung in einem zweiten Frequenzbereich reflektierend wirkt.

25. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche t bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlungsdurchlästige Rohr (3) entspiegelt ist.

26. Sonnenkroftwerk nach wenigsten einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß als strahlungsdurchlässiges Rohr (3) ein entspiegeltes Glasrohr verwendet wird

27. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlungsdurchlässige Rohr (3) fest montiert ist.

28. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche t bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das System mit einet ebenen Glasdach abgedeckt ist.

29. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Glasdach aus Mattglas besteht.

30. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 29. dadurch gekennzeichnet, daß unter den ebenen, das Fok0usierungssytem geg Staub und Verunreinigungen schützende Qisadach Pflanzenkulturen gehalten werden,

31. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung (2) mit einem Wärmespeicher in Verbindung steht.

32. Sonnenkaftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung (2) mit einem oder mehreren Wärmekraftmaschinen in Verbindung steht.

33. Sonennkraftwerk nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß du Abwärme der Wärmekraftmaschinen zur Krzeugung von Heißwwasser verwendet wird.

34. Sonnenkraftwerk nach wenigstens einemd er Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die @@@@@@ der Wärmekraftmaschinen zur Meerwasserentsalzung verwendet wird.

L e e r s e i t e