DE2629641A1 - Vorrichtung zur umwandlung von lichtenergie in waermeenergie durch lichtkonzentration mit hilfe von fluoreszenzschichten - Google Patents

Vorrichtung zur umwandlung von lichtenergie in waermeenergie durch lichtkonzentration mit hilfe von fluoreszenzschichten

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Description

3 2629841
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung 76/9647
der angewandten Forschung e.V., Sitz München, Leonrodstr. 54, 8000 München 19
Vorrichtung zur Umwandlung von Lichtenergie in Wärmeenergie durch Lichtkonzentration mit Hilfe von Fluoreszenzschichten
Es werden Vorrichtungen beschrieben, bei denen Lichtkonzentratoren, die aus dünnen Schichten von transparenten festen oder flüssigen Stoffen mit eingelagerten Fluoreszenzzentren bestehen, mit Absorbern kombiniert werden, um das Sonnenlicht in Wärmeenergie bei hoher Temperatur umzuwandeln.
Die Gewinnung von Wärmeenergie aus der Sonnenstrahlung wird bereits in verschiedener Weise praktisch durchgeführt. Es wurden dabei zwei verschiedene Prinzipien angewandt:
1. Flächenhafte Kollektoren ohne Konzentration, die auch für diffuses Licht geeignet sind.
2. Lichtkonzentratoren, die mit Hilfe von Spiegeln oder Linsen das Sonnenlicht auf eine kleine Fläche konzentrieren.
Kollektoren der ersten Art haben den Nachteil, daß sie wegen der geringen Energiedichte der einfallenden Strahlung nur relativ niedrige Temperaturen erzeugen. Auch bei sehr starker Sonneneinstrahlung ist die so erreichte Temperatur meist unter 100 C. Kollektoren der zweiten Art erreichen durch Konzentration des Sonnenlichts wesentlich höhere Temperaturen, arbeiten aber nur bei klarem Himmel und erfordern eine aufwendige Nachführung, um immer auf die Sonne ausgerichtet zu sein.
Die nachfolgende Beschreibung de#Erfindung erfolgt anhand der Zeichnungen folgenden Inhalts:
*= in den Patentansprüchen dargestellten
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Fig. 1 Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Lichtkonzentration in Verbindung mit einem Absorber.
Fig. 2 Beispiel für eine günstige geometrische Gestaltung eines Lichtkonzentrator/Absorbersystems.
Fig. 3 Zweischichtanordnung einer Lichtkonzentrator/Absorbervorrichtung im Querschnitt.
Fig. 4 Optische Ankopplung der Lichtkonzentratoren an den Absorber über GlaszwischenscMchten zur Vermeidung der thermischen Belastung der Pluoreszenzschichten.
Die hier vorgeschlagene Lösung erlaubt eine Kombination der Vorteile der beiden Prinzipien ohne deren Nachteile. Es wird ein Lichtkonzentrator verwendet, der auf einer fluoreszierenden Schicht beruht, wie er bereits in der Patent-Anmeldung P 26 20 115. 0 für die Anwendung mit Solarzellen beschrieben wurde. Dieses Prinzip sei hier kurz wiederholt:
Das Sonnenlicht wird in einer an sich transparenten Schicht aufgefangen, die Fluoreszenzzentren enthält. Die Fluoreszenzzentren absorbieren die Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich, wandeln sie in länge rwellige Strahlung um und reemittieren sie. Da die Strahlung nach allen Richtungen reemittiert wird, bleibt ein sehr großer Teil dieser Strahlung aufgrund der Totalreflexion in der Schicht und wird in der Schichtebene fortgeleitet. Wenn der Fluoreszenzfarbstoff so ausgewählt ist, daß Absorptions- und Emissionsbande möglichst geringe Überlappung haben, dann ist die Absorptionslänge des reemittierten Lichts sehr groß, d.h. große Konzentratorflächen sind möglich. Der Konzentrator kann aus Kunststoff oder Glas bestehen, in dem die Fluoreszenzmoleküle gelöst sind, oder auch aus einer flüssigen Lösung, die zwischen zwei transparenten Platten enthalten ist.
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In Fig. 1 ist gezeigt, wie ein Lichtstrahl (1) auf ein Fluoreszenzmolekül des Konzentrators (2) trifft, nach der Absorption wellenlängenverschoberi emittiert wird und durch Totalreflexion an den Rand des Konzentrators gelangt. Dort trifft er, vorzugsweise unter Zwischenschaltung einer optischen Kontaktsubstanz (3) (wie z.B. hochviskose Silikonöle) auf einen Absorber (4), der von einem flüssigen Wärmetransportmittel (5) durchflossen wird.
In der Patent-Anmeldung P 26 20 115.0 und in der Zusatzpatent-Anmeldung P 26 28 291.7 wurden die optimalen Bedingungen für die Gewinnung von elektrischer Energie mit diesem Konzentrator beschrieben. Einige dieser Bedingungen gelten auch für die hier beschriebene Anwendung. Das trifft z.B. auf die Geometrie der Konzentratoren (2) zu, wo die Form von gleichschenkligen Dreiecken die kürzesten Lichtwege und geringste Zahl der Reflexionen liefert.
Fig. 2 zeigt eine solche Ausführung, wobei die Konzentratoren (2) an den Stirnflächen (6) verspiegelt sind und wo das Licht auf die Absorber
(4) konzentriert wird, in denen die nicht dargestellten tfärmetransportmittel 5 fließen.
Es erweist sich auch als günstig, wenn man das Licht in mehr als einer Konzentratorplatte absorbiert, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Konzentratoren (2 a) und (2 b) selektieren je einen Teil des einfallenden Lichts und führen es zum Absorber (4). In Zusatzpatent-Anmeldung P 26 28 291.7 ist gezeigt, wie mit 2 übereinander angeordneten Konzentratorplatten 4 Spektralbereiche des einfallenden Lichts zum Absorber geführt werden können. Ein Unterschied gegen die photovoltaische Anwendung bildet die Spektralverteilung der Emissionswellenlängen. Da die Wellenlänge nach oben nicht durch die Absorptionskante eines Halbleitermaterials begrenzt ist, kann man auch den langwelligen Teil des Sonnenspektrums mitverwerten. Ein weiterer Unterschied ist die Temperatur des Absorbers. Da auf den mit steigender Temperatur sinkenden Wirkungsgrad von Solar-
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- Λτ -
zellen hier keine Rücksicht genommen werden muß, kann der Absorber bei wesentlich höheren Temperaturen und daher effizienter betrieben werden.
Es sollen mn noch weitere Vorteile gegenüber den zu Beginn beschriebenen konventionellen Kollektoren beschrieben werden.
1. Höhere Konzentration. Selbst bei Spiegelkoüektoren sind mit vertretbarem Aufwand nur Konzentrationsgrade bis zu 10 möglich, während mit Fluoreszenzschichten Konzentrationsgrade zwischen 50 und 100 keine Schwierigkeiten machen. Damit dürfte ein effizienter Betrieb von Wärmekraftmaschinen und Klimaanlagen möglich sein. Bei hohen Absorbertemperaturen muß verhindert werden, daß die Fluoreszenzmoleküle und ihr Lösungsmedium zu nahe an den Absorber kommen. Das kann nach einer Anordnung wie in Fig. 4 verhindert werden: Der Absorber (4) ist mit einer Wärmeisolation (7) umgeben. Die Fluoreszenzzentren sind in eine flüssige oder feste transparente Schicht (4) eingelagert,, die von Glasschichten (9) umgeben ist. Wenn Lösungsmediuin und Glas von etwa gleichem Brechungsindex sind, dann wird das Licht auch im Glas geführt. Damit wird eine Glaszwischenschicht zwischen Fluoreszenzmedium und Absorber möglich.
2. Separation von Kollektor und Absorber. In herkömmlichen Kollektoren ist der Kollektor zugleich Absorber, wie beim Flachkollektor oder er muß zumindest die Strahlung über seine ganze Oberfläche absorbieren, wie beim Spiegelkollektor. Dadurch ergeben sich Wärmeisolationsprobleme. Die Lösung dieser Probleme ist möglich aber aufwendig, z.B. durch Vakuumeinbau der Absorber sowie durch selektiv absorbierende Schichten auf Abdeckgläsern. Beim Fluoreszenzkollektor gelangt das Licht in kleinflächige Absorber an den Stirnflächen der Kollektoren,, wobei die Absorber selbst nicht sum direkten Strahlungsempfang benützt werden müssen. Daher können die Absorber gut wärmeisoliert werden
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- -er -
(Fig. 4) und damit Wärmeverluste reduziert werden.
3. Geringe Wärmeträgheit. Bei rasch wechselnden Bewölkungsverhältnissen, wie sie in Mitteleuropa häufig auftreten, spielt die Wärmeträgheit des Systems Absorber-Kollektor eine große Rolle. Bei Flachkollektoren ist ein Röhrensystem, das Wasser enthält, der Sonne ausgesetzt. Die im Kollektor enthaltene Wassermenge sollte möglichst klein sein, da dadurch die Aufheizzeiten sinken und so der zeitlich gemittelte Wirkungsgrad ansteigt. Der Fluoreszenzkollektor hingegen erwärmt sich selbst nur unwesentlich, während der Absorber eine relativ zur Gesamtfläche geringe Wärmekapazität enthält. Wegen der geringen Wärmeträgheit des Systems muß ein sehr rasch reagierendes Pumpensystem den Kühlmittelfluß durch den Absorber den Einstrahlungsverhältnissen anpassen. Die Steuerung geschieht am besten durch eine Solarzelle oder Photozelle, die die einfallende Strahlung abtastet.
Als weiteres Ausführungsbeispiel der erfin dungs gemäßen Vorrichtung wird noch auf die Möglichkeit hingewiesen, Lichtkonzentratoren der beschriebenen Art zusätzlich zu kombinieren mit Solarzellen für die höherenergetischen Anteile der Fluoreszenzstrahlung zur Gewinnung elektrischer Energie.
Als Wärmetransportmittel kann z.B. Wasser unter Hochdruck oder andere höher siedende Flüssigkeiten, z.B. Öl, dienen.
Als Absorber kann jede für die Fluoreszenz schwarze Oberfläche mit guter Wärmeübertragung verwendet werden, z.B. schwarz gestrichene Metallrohre.
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Claims (1)

  1. Fraunhofer-Gesellschaft zu? Forcecung dec ? R 9QR Al
    angewandten Forschung e.V., Sitz München, Leonrodstraße 54, 8000 München 19 76/9647
    Patentansprüche
    1. Vorrichtung zur Umwandlung von Liehtenergie in Wärmeenergie ,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein Licht-Konzentrator (2), der aus einer transparenten festen oder flüssigen Schicht besteht, deren Brechungsindex größer als der des umgebenden Mediums ist und die Fluoreszenzsentren enthält, sowie ein licht-Absorber (4) zur Absorption des aus dein Liehtkonzentrator austretenden Lichtes sowie Wärsie transportmittel (5) vorgesehen sind.
    Anordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Licht-Eonzentratoren (2a, 2b) übereinander geschichtet verwendet werden.
    Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß Emissions- und Absorptionsspektren der ITuoreszenzzentren so aufeinander abgestimmt sind, daß ein möglichst großer Seil des einfallenden Spektrums absorbiert und dem Licht-Absorber (4) zugeführt wird.
    4« Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Licht-Absorber (4) bei Temperaturen über 1000C
    betrieben wird. 70eB82/01„- _2_
    Torrichtung nach Anspruch 1 "bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die fluoreszierende Schicht (8) durch eine Glaszwischenschicht (9) mit einem an die fluoreszierende Schicht (8) angepaßten Brechungsindex vom Absorber getrennt ist, wobei die Dicke der Glaszwischenschicht so bemessen ist, daß die Temperatur der fluoreszierenden Schicht unter 400C bleibt.
    6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht-Konzentrator (2) an seinen Stirnflächen
    (6) verspiegelt ist=
    Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die 3?lußgesciiwindigkeit des Wärmetransportmittels
    (5) im Absorber durch eine von der einfallenden Strahlung getroffene Solarzelle oder Photozelle gesteuert wird.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren Lichtauskopplung aus dem Licht-Konzentrator (2) eine optische Kontaktsubstanz (3), z.b. ein Silikonb'l, vorgesehen ist.
    Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 89 dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung mehrerer Licht-Konzentratoren (2as 2b) der liicht-Konzentratorg dessen Pluoreszenzstrahlung bei kürzeren Wellenlängen liegt, über die Kontaktsubstanz (3) mit einer Solarzelle verbunden ist.
    709882/0158
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