DE3006075A1

DE3006075A1 - Vorrichtung zur absorption von sonnenenergie

Info

Publication number: DE3006075A1
Application number: DE19803006075
Authority: DE
Inventors: Angioletta Dr Boero; Francesca Dr Demichelis; Enrica Dr Minetti-Mezzetti; Mario Palazzetti
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 1979-02-20
Filing date: 1980-02-19
Publication date: 1980-08-21
Also published as: GB2042711A; IT7967372A0; FR2449855A1; JPS55112962A; GB2042711B; US4287881A

Description

Exemplar

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Wetckmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Liska

„_η , 8000 MÜKCHEN 86, DEN

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POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

CENTRO RICERCHE FIAT S.p.A.
Strada Torino 50,
Orbassano (Turin) / Italien

Vorrichtung zur Absorption von Sonnenenergie

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Diese arbeitet mit einem linearen optischen Konzentrationssystem,· d.h. mit einem optischen System, das Strahlungsenergie längs einer Fokussierungslinie fokussiert.

Vorrichtungen zur Absorption von Sonnenenergie mit linearen optischen Konzentrationssystemen bestehen allgemein aus einem zylindrischen Rohr, das längs der Brennlinie des optischen Konzentrationssystems angeordnet ist und eine Flüssigkeitsströmung führt, die in Form von Wärme in dem Rohr absorbierte Energie aufnimmt. Die Außenfläche des zylindrischen Rohrs istüblicherweise mit einem schwarzen Film beschichtet, um die Absorptionseigenschaften des Rohrs zu verbesseren und die Infrarotabstrahlung zu verringern. Das Rohr ist normalerweise in einem Glasgehäuse angeordnet, um Wärmeverluste durch Strahlung zu begrenzen. Zwischen dem Rohr und dem Glasgehäuse ist ein Abstand vorgesehen, in dem ein stetiges Vakuum erzeugt wird, um Wärmeverluste durch Konvektion und Leitung zu begrenzen.

Vorrichtungen dieser Art haben insbesondere die folgenden Nachteile:

a) Wärmeverluste durch Leitung, Konvektion und Strahlung nehmen mit der Temperatur des Absorptionsrohrs zu, und der Wärmeaustausch zwischen dem Rohr und der hindurchgeleiteten Strömung verschlechtert sich in Richtung dieser Strömung. Somit nimmt die Wärmeausbeute längs des Rohrs in Strömungsrichtung ab.

b) Die Verfahren zur Herstellung von Absorptionsvorrichtungen dieser Art werden immer schwieriger und kostspieliger.

c) Die gegenwärtig verwendeten Schwärzbeschichtungen sind über einer Temperatur von 300⁰C nicht wärmebeständig. Ihre

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Eigenschaften verschlechtern sich nach einer gewissen Anzahl von Wärmezyklen, wodurch sich besonders schwerwiegende Wartungsprobleme ergeben- Ferner ist es sehr schwierig, eine gleichmäßige Ablagerung der Schwarzbeschichtung bei der Herstellung zu erreichen.

d) Die von dem zylindrischen Rohr abgegebene Infrarotstrahlung wird durch das Glasgehäuse absorbiert und führt zu Wärmeverlusten durch Konvektion, da das Glasgehäuse in direktem Kontakt mit der Umgebungsluft steht. Die Verwendung dichroitischer Ablagerungen auf dem Glasgehäuse zur Verringerung der Strahlungsreflexion im sichtbaren Bereich und zur Verstärkung im infraroten Bereich wird gegenwärtig studiert. In diesem Zusammenhang sind jedoch Verfahren erforderlich, die schwierig, kostspielig und in der Praxis nur in Verbindung mit kleinen Gehäusen anwendbar sind.

e) Bei Vorgabe der üblichen Abmessungen des zylindrischen Absorptionsrohrs ist es extrem schwierig, ein stetiges Vakuum zwischen dem Rohr und dem Glasgehäuse zu erzeugen, das die Wärmeverluste wirksam verringert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Absorption von Sonnenenergie anzugeben, die mit einem linearen optischen Konzentrationssystem arbeitet, dabei aber zumindest einige der vorstehenden Nachteile vermeidet und besonders einfach herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

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Eine Vorrichtung nach der Erfindung ermöglicht eine Fokussierung von Strahlungsenergie längs einer Fokussierungslinie durch ein geeignetes optisches System, so daß sie innerhalb des durch die Absorptionsplatten gebildeten Kanals gehalten wird. Die Vorrichtung wird im Betrieb so angeordnet, daß der Schlitz in der Fokussierungslinie des optischen Systems liegt und die Absorptionsplatten parallel zur Symmetrieebene des optischen Systems liegen. Die Absorptionsplatten sind vorzugsweise so zueinander beabstandet, daß die Strahlungsenergie direkt auf die gesamte Oberfläche jeweils einer Plattenseite trifft.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ist viel einfacher herzustellen als eine Vorrichtung, die mit einem zylindrischen Absorptionsrohr arbeitet, und hat viel kleinere Verluste. Insbesondere ist eine Schwarzbeschichtung der Absorptionsplatten nicht erforderlich.

Bei einem vorzugsweisen Ausführungsbeispiel· der Erfindung hat der Kanal· einen Außenmantel· aus wärmeisoiierendem Material, der vorzugsweise eine längs des Kanal·s in Strömungsrichtung zunehmende Dicke hat, so daß die Wärmeausbeute über die gesamte Länge des Kanais praktisch konstant ist.

Die Refiexionsfiäche zur Richtung einer Strahlung paraüel· zu den Pl·atten auf die Piatten kann beispieisweise ein gekrümmter Spiegel· sein, vorzugsweise ist hierzu jedoch ein ebener Spiegel· vorgesehen, der gegenüber den Pl·atten geneigt ist.

Die Erfindung ist ferner in einer Vorrichtung zur Absorption von Sonnenenergie verkörpert, die ein optisches System zur Fokussierung von Strahlungsenergie iängs einer Fokussierungsiinie in Kombination mit einer Absorptionsanordnung vorstehend beschriebener Art enthäit, wobei der Schütz in der Fokussie-

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rungslinie des optischen Systems angeordnet ist und die Absorptionsplatten parallel zur Symmetrieebene des optischen Systems liegen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische schematische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung und

Fig. 2 einen Querschnitt einer Absorptionsanordnung, die einen Teil der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung bildet, in größerem Maßstab.

In Fig. 1 ist eine Absorptionsvorrichtung für Sonnenenergie dargestellt, die ein optisches System 1 zur Fokussierung von Strahlungsenergie längs einer Fokussierungslinie X-X enthält. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält das optische Systeme eine Fresnel-Linse, jedoch kann alternativ auch eine zylindrische Linse vorgesehen sein. Außerdem ist es möglich, mehrere sphärische Linsen in einer Linie anzuordnen, so daß sie die Strahlungsenergie auf diskrete Punkte längs der Fokussierungslinie konzentrieren.

Die Vorrichtung enthält ferner eine Absorptionsanordnung 2, deren Abmessungen in Fig. 2 zur besseren Übersicht gegenüber denen der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung vergrößert dargestellt sind.

Die Absorptionsanordnung 2 enthält einen Kanal 3, der durch Wände begrenzt ist, die reflektierende Innenflächen haben. Der Kanal 3 ist symmetrisch zu einer Längssymmetrieebene,

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-t-S.

die mit einer Symmetrieebene IZ. der Linse 1 zusammenfällt, welche durch eine Fokussierungslinie X-X läuft.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, hat der Kanal 3 einen rechteckförmigen Abschnitt 3a und zwei geneigte Wände 3b, die jeweils mit einer Längskante des Abschnitts 3a verbunden sind. Die Wände 3b sind zueinander geneigt und haben zwischen ihren freien Kanten einen geringen Abstand, der einen Schlitz bildet, welcher in der Fokussierungslinie X-X der Linse 1 liegt. Der Schlitz 4 ermöglicht somit, daß die auf der Fokussierungslinie X-X durch die Linse 1 fokussierte Strahlung in den Kanal 3 gelangt.

Der Kanal 3 ist mit einem Außenmantel 5 aus isolierendem Material versehen, der in Fig. 2 teilweise dargestellt ist. Er ist ferner innerhalb des Abschnitts 3a mit mehreren ähnlichen, zueinander beabstandeten Platten 6 versehen, die in seiner Längsrichtung verlaufen und parallel zur Symmetrieebene TT liegen. Sie können Strahlungsenergie absorbieren, die in den Kanal 3 durch den Schlitz 4 einfällt. Die Platten 6 können beispielsweise aus einem polierten oder brünierten Stahl bestehen.

Die relative Größe und Anordnung der verschiedenen Teile werden nun in den Einzelheiten beschrieben.

In Fig. 1 ist der effektive Querschnitt des optischen Systems mit D bezeichnet. Die Brennweite des Systems in der Symmetrieebene ~ft , d.h. der Abstand zwischen der Fokussierungslinie X-X und dem optischen Systems 1, ist mit f bezeichnet. Der halbe Winkel, den die einfallende Strahlung vor der Fokussierungslinie X-X des optischen Systems 1 einschließt, ist mit θ bezeichnet.

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BAD ORIGINAL

In Fig. 2 ist die Schnittlinie der Symmetrieebene '» mit der Zeichenebene als Y-Y bezeichnet. Der Abstand zwischen dieser Linie Y-Y und der Absorptionsplatte 6, die am weitesten von dieser Linie Y-Y entfernt ist, ist mit a bezeichnet. Der Abstand zwischen den Oberkanten der Absorptionsplatten 6 und dem Schlitz 4 längs der Linie Y-Y ist b. Die Abstände a und b sind so gewählt, daß die Absorptionsplatten 6 die gesamte Strahlungsenergie aufnehmen, die durch den Schlitz 4 in den Kanal 3 einfällt. Der Zusammenhang der Abstände a und b ist durch die folgende Formel gegeben:

Db

a = —

2f

Ferner ist der Abstand d. zwischen jedem Absorptionsplattenpaar derart, daß keine der Absorptionsplatten 6 eine benachbarte Platte gegenüber der durch den Schlitz 4 einfallenden Strahlung abschirmt. Somit ist der Abstand d. der einander benachbarten Absorptionsplatten 6 veränderlich uud ergibt sich durch die folgende Formel:

d_± = 1 tg B₁

Hierbei ist 1 die Höhe der Absorptionsplatten 6 parallel zur Linie Y--Y und Θ. der Halbwinkel der Strahlen, die auf die Oberkante der Absorptionsplatte 6 fallen, welche zu einem jeweils betrachteten Plattenpaar gehört und der Linie Y-Y am nächsten liegt.

Der Kanal 3 enthält ferner einen in Längsrichtung verlaufenden ebenen Spiegel 7 in seinem unteren Abschnitt 3a, der auf der dem Schlitz 4 abgewandten Seite der Absorptionsplatten 6 angeordnet ist. Der Spiegel 7 ist unter einem Winkel '-?

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BAD ORIGINAL

gegenüber einer Ebene senkrecht zur Symmetrieebene des optischen Systems 1 geneigt. Der Winkel \' ist so gewählt, daß Strahlung, die direkt auf ihn nahe der Symmetrieebene des optischen Systems 1 auftrifft, nicht aus dem Kanal 3 durch den Schlitz 4 reflektiert wird. Der Spiegel 7 ist so geneigt, daß er diesen Teil der Strahlungsenergie auf eine der Absorptionsplatten 6 reflektiert, welche nahe der Symmetrieebene it angeordnet ist. Somit ergibt sich der Winkel °? aus der folgenden Formel:

= arc tg

2(1 +Δ)

Hierbei ist Λ der Abstand zwischen dem Spiegel 7 und der benachbarten Kante einer der Absorptionsplatten 6 nahe der Symmetrieebene Tt und α der senkrechte Abstand zwischen der Linie Y-Y und dieser Absorptionsplatte 6.

Die auf diese Weise aufgebaute Vorrichtung fokussiert Strahlungsenergie längs der Fokussierungslinie X-X, so daß sie durch den Schlitz 4 in den Kanal eintritt und direkt auf die gesamte eine Seitenfläche einer jeden Absorptionsplatte 6 trifft. Diese Absorptionsplatten 6 absorbieren den größten Anteil der Energie und jeglicher kleinere Anteil, der reflektiert wird, wird durch den Spiegel 7 gleichfalls auf die Absorptionsplatten 6 gerichtet. Die reflektierenden Seitenwände des Kanals 3 reflektieren gleichfalls Energie auf die Absorptionsplatten 6, so daß praktisch die gesamte einfallende Strahlungsenergie durch die Absorptionsplatten 6 eingefangen und absorbiert werden kann.

Beim Betrieb der Vorrichtung wird Luft durch den Kanal 3 in Richtung des Pfeils A (Fig. 1) geführt, und strömt über die Absorptionsplatten 6, so daß sie die absorbierte Energie

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in Form von Wärme aufnimmt. Es zeigt sich, daß der Temperaturunterschied zwischen den Absorptionsplatten 6 und der Luft in jedem Kanal 3 zwischen jeweils zwei benachbarten Absorptionsplatten 6 extrem klein ist, daß jedoch eine Regelung der Luftströmung in diesen Zwischenräumen günstig ist, um die Ausbildung "heißer Punkte" zu verhindern, welche andernfalls infolge des unterschiedlichen Abstandes der Absorptionsplatten zu befürchten wäre. Der Kanal 3 bleibt jedoch immer praktisch auf Umgebungstemperatur.

Ein Ausführungsbeispiel der vorstehend beschriebenen Einrichtung hat die folgenden Abmessungen und Eigenschaften:

Optisches System 1

Zylindrische Fresnel·-Linse mit einer Länge von 1 m, einem optischen Querschnitt von D = 60 cm und einer Brennweite f von 80 cm.

Absorptionsanordnung 2

Mehrere brünierte Stahlplatten 6 jeweils mit einer Dicke von 0,8 mm, einer Höhe 1 von 3 cm und einem Abstand b von 10,7 cm. Es ist eine äußere Ummantelung 5 mit einer Dicke von 5 cm sowie ein Spiegel 7 aus Spiegelblech vorgesehen.

Bei der Verwendung dieser Einrichtung zur Fokussierung von Sonnenenergie bei einer Luftströmung von 150 kg/h zeigte sich, daß ein Temperaturanstieg der Luft um 2O⁰C erzielbar war, wenn von einer Anfangstemperatur der Luft von 20⁰C ausgegangen wurde. Auf diese Weise ergab sich eine Nutzleistung von 200 cal/s. Selbstverständlich kann jede gewünschte Zahl ähnlicher Vorrichtungen in Reihe geschaltet werden, um weitere Nutzleistung zu erzeugen, oder es können Vorrichtungen mit längeren Linsen 1 und entsprechenden Absorptionsanordnungen 2 gebaut werden. Eine Einrichtung mit einer Linse 1

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einer Länge von 25 m ermöglicht eine Temperaturerzeugung in der Größenordnung von 500⁰C. Vorrichtungen mit einem langen optischen System 1 und einem entsprechend langen Kanal 3 mit einem entsprechend hohen Temperaturanstieg in der Luftströmung zeigen jedoch auch progressiv höhere Wärmeverluste längs des Kanals 3 in Richtung A der Luftströmung durch Leitung über den wärmeisolierenden Mantel 5. Aus diesem Grund wird die Dicke des Mantels 5 in Richtung der Luftströmung progressiv erhöht, wenn die Vorrichtung eine größere Länge hat, um zu gewährleisten, daß die Wärmeverluste durch Leitung längs des gesamten Kanals 3 praktisch konstant bleiben.

In der Praxis sind die Energieverluste der Vorrichtung viel kleiner als bei Vorrichtungen mit zylindrischen Absorptionsrohren. Die Energieverluste in einer Vorrichtung nach der Erfindung sind in erster Linie auf drei verschiedene Faktoren zurückzuführenι

a) Verluste durch Reflexion von Strahlungsenergie, die auf die Außenwände des Kanals 3 nahe dem Schlitz 4 fällt. Diese Verluste können bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel so verringert werden, daß sie in der Größenordnung von 1% der einfallenden Strahlung liegen, indem die dem Schlitz 4 benachbarten Flächen mit Antireflexionsmaterial versehen werden.

b) Wärmeverluste durch den Schlitz 4, die auf die Luft über der Absorptionsanordnung zurückzuführen sind. Im dargestellten Fall betragen diese Verluste bei einer Temperatur in der Größenordnung von 200⁰C weniger als 1 cal/s.

c) Wärmeverluste durch Leitung über den Außenmantel 5. Für einen Temperaturanstieg von 200⁰C sind diese Verluste kleiner als 1ö cal/s.

Auf diese Weise ergibt sich ein im wesentlichen konstanter Energieverlust in der Größenordnung von 7% über die gesamte Länge des Kanals 3.

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L eers e i t e

Claims

Patentansprüche

( 1J Vorrichtung zur Absorption von Sonnenenergie mit einem optischen System zur Fokussierung der Energie längs einer Fokussierungslinie, dadurch gekennzeichnet, daß der Längsschlitz (4) eines unter dem optischen System

(1) angeordneten Absorptionskanals (3) in der Fokussierungslinie (X-X) angeordnet ist und daß in dem Absorptionskanal (3) Absorptionsplatten (6) angeordnet sind, die parallel zur Symmetrieebene {X) des optischen Systems

(1) liegen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorptionskanal (3) reflektierende Innenwände aufweist, daß die Absorptionsplatten (6) mit gegenseitigem Abstand zueinander in Längsrichtung des Kanals (3) verlaufend so angeordnet sind, daß sie die durch den Längsschlitz (4) fallende Strahlung direkt aufnehmen, daß eine Reflexionsfläche (7) in Längsrichtung des Absorptionskanals (3) auf der dem Längsschlitz (4) abgewandten Seite der Absorptionsplatten (6) vorgesehen ist und in Richtung parallel zu den Absorptionsplatten (6) einfallende Strahlung auf die Absorptionsplatten (6) reflektiert und daß der Absorptionskanal (3) an eine die Wärme von den Absorptionsplatten (6) aufnehmende Luftströmung angeschlossen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsfläche (7) eben ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorptionskanal (3) mit einem Außenmantel (5) aus

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wärmeisolierendem Material versehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Außenmantels (5) in Richtung der Luftströmung zunimmt.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsplatten (6) zueinander einen derartigen Abstand haben, daß die Strahlungsenergie direkt auf die gesamte eine Seitenfläche jeweils einer Absorptionsplatte (6) geleitet wird.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsplatten (6) in einem Abschnitt (3a) des Absorptionskanals (3) mit rechteckförmigem Querschnitt angeordnet sind und daß sich an diesen rechteckförmigen Querschnitt beiderseits eine ebene, geneigte Seitenwand (3b) anschließt, deren freie Längskante mit derjenigen der jeweils anderen geneigten Seitenwand (3b) den Längsschlitz (4) bildet.

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