DE3036269A1

DE3036269A1 - Vorrichtung zum auffangen und umwandeln von licht- und waermestrahlung

Info

Publication number: DE3036269A1
Application number: DE19803036269
Authority: DE
Inventors: Gerd Velden Strehlau
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-09-26
Filing date: 1980-09-26
Publication date: 1982-05-27

Description

Vorrichtung zum Auffangen und Umwandeln von Licht- und Wärmestrahlung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auffangen und Umwandeln von Licht- und Wärmestrahlung.
Es sind Solarkollektoren thermischer oder fotovoltaischer Bauart bekannt. Die gegenwärtig gebräuchlichen sog. Hybridkollektoren sind entweder zu teuer oder liegen im Gesamtwirkungsgrad zu niedrig. Weiterhin sind Fluoreszenzkollektoren vorgeschlagen worden, bei denen Ein- oder Mehrschicht-Anordnungen von entweder in transparenten festen oder flüssigen Stoffen eingelagerten Fluoreszenz-Molekülen vorgesehen sind, die das Licht konzentrieren und entweder Solarzellen oder Absorbern zuführen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau eine höhere Energieausbeute als bei den bekannten Vorrichtungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein transparenter Hohlkörper vorgesehen ist, der die Primärseite eines Wärmeaustauschers mit umlaufendem flüssigem Trägermedium bildet, und in das flüssige Trägermedium Fluoreszenzmoleküle eingelagert sind, und der transparente Hohlkörper wenigstens eine Strahlungsaustrittsstelle für in der Vorrichtung totalreflektierte und/oder refraktierte Strahlung aufweist, und im Strahlungsaustrittsbereich der Strahlungsaustrittsstelle eine Einrichtung zur direkten Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie vorgesehen ist Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es in vorteilhafter Weise möglich, die aufgefangene Licht und Wärmestrahlung sowohl in Wärmeenergie als auch in elektrische Energie umzuwandeln. Die Vorrichtung arbeitet derart, daß die Strahluag durch die Wandung des transparenten Hohlkörpers in das flüssige Trägermedium und damit in die fluoreszierenden Moleküle geleitet wird. Die von diesen reemittierte Strahlung wird im Inneren des transparenten Hohlkörpers totalreflektiert und/oder refraktiert und dann der im Strahlenaustrittsbereich der Strahlenaustrittsstelle vorgesehenen Einrichtung zur direkten Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie zugeführt und dort in elektrische Energie umgewandelt.
Die bei der Absorption und Reemittierung freigesetzte Wärmeenergie wird durch das umlaufende flüssige Trägermedium abgeleitet und einem Wärmeaustauscher zugeführt. Ein weitet rer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die Fluoreszenzmoleküle infolge ihrer Einlagerung in das flüssige Trägermedium ausgetauscht werden können. Da Fluoreszenz-Moleküle relativ schnell ausbleichen, wird durch diese Möglichkeit die Lebensdauer der Kollektoren erheblich verlän- gert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine Anpassung an neu entwickelte Farbstoffe möglich ist und somit die Vorrichtung der Weiterentwicklung der Technik ohne weiteres angepaßt werden kann. Schließlich sind Vorrichtungen gemäß der Erfindung sehr preiswert herstellbar und weisen -darüber hinaus einen hohen Gesamtwirkungsgrad auf.
Die Einrichtung zur direkten Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie kann beispielsweise eine Solarzellenanördnung und/oder Thermoelementanordnung aufweisen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß in der Wandung des transparenten Hohlkörpers Thermoelemente eingelagert sind. Die mittels. dieser Thermoelemente erzeugbare elektrische Energie trägt, dazu bei, den Gesamtwirkungsgrad noch weiter zu erhöhen.
Der transparente. Hohlkörper ist vorzugsweise auf der Basis von Polyacrylester hergestellt. Als flüssiges Trägermedium wird vorzugsweise ein Gemisch von Wasser und Frostschutzmittel verwendet, wobei diesem Gemisch das Fluoreszenzmittel beigefügt ist.
Eine besonders zweckmäßige Ausführungsforin für den transparenten Hohlkörper besteht darin, daß dieser in Draufsicht gesehen teilweise einen sinusbogenförmigen Umriß und einen bikonvexen Hohlraum aufweist.
Gemäß einer weiteren Bauart kann vorgesehen sein, daß der transparente Hohlkörper in Form eines Hohlzylinders ausgebildet ist.
Weiterhin kann vorgesehen sein, daß mehrere Hohlkörper nel beneinander und ggf. versetzt übereinander angeordnet sind.
Wenn mehrere übereinander angeordnete Hohlkörper vorgesehen sind, so ist in-weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die der Lichteintrittsseite zugewandten'Hohlkörper eine Fluoreszenzflüssigkeit beinhalten, diese Strahlung mit kürzeren Wellenlängen als die Fluoreszenzflüssigkeit in den darunterliegenden Hohlkörpern absorbiert. Entsprechend kann ebenfalls vorgesehen sein, daß die Solarzellen dem Emissionsspektrum der Fluoreszenzflüssigkeit angepaßt sind Eine besonders günstige Strahlungskonzentration kann dann erreicht werden, wenn die Xantenflächen des Hohlkörpers wenig stens teilweise verspiegelt sind und die Kanten des Hohlkörpers wenigstens abschnittsweise Abschrägungen aufweisen In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß eine zur Kollektoraufnahme vorgesehene Einrichtung in ihrem Kollektoraufnahmebereich verspiegelt ausgebildet ist Schließlich kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß die der Lichteintrittsseite zugewandte Hohlkörperseite eine An ti-Reflexionsbeschichtung aufweist In den Zeichnungen sind schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf mehrere nebeneinander angeordnete Hybridkollektoren gemäß der Erfindung mit teilweise sinusbogenförmigem Umriß; Fig. 2 eine Ansicht der Stirnseite des mittleren Hohlkörpers gemäß Fig. 1 aus Richtung A gesehen, wobei aus Gründen einer besseren Übersichtlichkeit in der zeichnerischen Darstellung die Solarzellen gegenüber ihrer wirklichen- Lage nach rechts bzw. nach links seitlich versetzt dargestellt sind; Fig. 3 einen Schnitt durch den mittleren Hohlkörper gemäß Fig. 1, etwa entsprechend der Linie 111-111 in Fig. 1, jedoch in vergrößertem Maßstab; Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf mehrere nebeneinanderliegende Hohlkörper gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt längs der Linie V-V in Fig. 5 in vergrößertem Maßstab, gesehen entgegen der Pfeilrichtung V-V; Fig. 6 einen Querschnitt durch eine als Kasten ausgebildete Kollektoraufnahmeeinrichtung mit zwei Schichten der als Hohlzylinder ausgebildeten Kollektoren gemäß Fig. 4 bzw. Fig. 5.
Gemäß Fig. 1 sind mehrere transparente Hohlkörper 1 nebeneinanderliegend angeordnet. Die Hohlkörper 1 weisen-in Draufsicht, gesehen im wesentlichen die Form eines Sinusbogens entsprechend der Funktion y = 2sin x auf. Die Hohlkörper bestehen aus hochtronsparontem Werhotoff auf der Masis von Polyacrylester und weisen einen bikonvex ausgebildeten Hohlraum 2 auf, in welchem sich ein flüssiges Trägermedium 3 befindet, in welches (in Fig. 3 und Fig. 5) schematisch durch Punkte angedeutete Fluoreszenzmoleküle eingelagert sind. Das flüssige Txä germedium für die Fluoreszenzmoleküle, das auf der Basis von Wasser hergestellt ist und Zusätze von Frostschutzmittel auf weist, kann den jahreszeitlichen Bedineungen durch Veränderung des Mischungsverhältnisses angepaßt werden. Die Hohlkörper 1 bilden die Primärseite eines (nicht dargestellten) Wärmearstauschers. Die Anschlüsse für die Zuleitung des flüssigen Trä germediums 3 aus den Hohlräumen 2 der Hohlkörper 1 sind zur Vereinfachung der Darstellung ebenfalls nicht gezeigt. Der Vorrichtung ist eine Pumpeinrichtung (ebenfalls nicht dargestellt) zugeordnet, mittels derer das flüssige Trägermedium 3 in den Primärkreislauf des Wärmeaustauschers umläuft. Längs der Basiskanten der Hohlkörper 1 sind Abschrägungen 4 vorgesehen. Gegenüber einer an die Lichteintrittsseite 6 angelegten gedachten Tangente beträgt der Abschrägungswinkel vorzugsweise ca 60.
-Entsprechende Abschrägungen sind im Kopfbereich 7 des Hohlkörpers vorgesehen. Der Kopfbereich 7, der Bereich längs der Basiskanten und-die Ober,- und Unterseiten der Sinusbogen sind verspiegelt ausgebildet. Die verspiegelten Flächen tragen die Bezugsziffer 8. Der Hohlkörper 1 weist längs seiner Basiskante eine nicht verspiegelte Strahlenaustrittsfläche 9 auf, vor welcher eine Solarzellen 10 aufweisende Einrichtung zur diredten Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie vorgesehen ist. Seitlich sind weitere Strahlenaustrittsbereiche 11 vorge- sehen, in deren Bereichen Solarzellen 12 angeordnet sind.
Die gesamte Anordnung ist in einer schematisch mit 13 bezeichneten Aufnahmeeinrichtung angeordnet, deren den Hohlkörpern zugewandte Seite verspiegelt ausgebildet ist. Hierzu ist eine konvex gestaltete, beispielsweise aus Aluminium gefertigte Spiegelfläche14 vorgesehen, deren Seitenflächen 15 hochgezogen ausgebildet sind. Die Spiegelfläche 14 kann mit Mineralfasern 16 unterlegt sein, welche whrmeisolierend wirken. Die Hohlkörper 1 sind auf der Spiegelfläche 14 jeweils mittels eines Distanzstückes 17 aus wärmeisolierendem Material abgestützt. In der Wandung der transparenten Hohlkörper 1 können außerdem noch Thermoelemente 18 eingelagert sein, deren elektrische Anschlüsse, ebenso wie die elektrischen Anschlüsse der Solarzellenanordnungen, nicht dargestellt sind.
Der Vorrichtung wird Licht- und Wärmestrahlung aus Richtung 3 zugeführt. Der Strahlungsverlauf im Inneren der Hohlkörper ist in Fig., 1 durch Pfeile schematisch angedeutet. Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, sind die Hohlkörper 1 etwa linsenförmig gestaltet. Durch diese Linsenform und auch durch den sinusbpgenförmig gestalteten Umriß wird die Strahlung konzentriert und eignet sich insbesondere. als Kollektor für diffuse Lichtverhältnisse. Die von den F-luoreszenzmolekülen absorbierte Strahlung wird in längerwellige Strahlung umgewandelt und reemittiert, wobei der anfallende Energieüberschuß in Form von Wärme abgegebenund mittels des umlaufenden flüssigen Trägermediums 3 dem Wärnieaustauscher zugeführt wird. Der reemittierte Teil der Lichtstrahlung wird infolge der Totalreflexion in der Wandung des Hohlkörpers 1 und auch durch Spiegelung an den verspiegelten Flächen im wesentlichen der Strahlenaustrittsfläche 9 und zu einem geringen Teil den seitlichen Strahlenaustrittsflächen 11 zugeleitet, tritt dort aus und von dort in die Solarzellenanordnungen 10 bzw. 12 ein und wird dort direkt in elektrische Energie umgewandelt. Die verspiegelt ausgebildete, Flä-' che 14 dient dazu, ggf. nach unten ausgetretene Strahlung in Pfeilrichtung C zu reflektieren und damit den Wirkungsgrad zu verbesserne Auch in den Thermoelementen 18 kann, eine direkte Umwandlung in elektrische Energie erfolgen.
In den Fig 4 bis 6 ist eine weitere Ausführungsmöglichkeit einer Hybridkollektoranordnung gemäß der Erfindung dargestellt. Bei, dieser Ausführungsform sind als Hohlzylinder ausgebildete Hohlkörper 20 vorgesehen, die in einer als Kasten 21 ausgebildeten Kollektoraufnahmeeinrichtung angeordnet sind, und zwar zu mehreren Hohlkörpern 20 nebeneinander und gegeneinander versetzt übereinander, wobei die Hohlkörper in der unteren Schicht mit 20' bezeichnet sind. Die Hohlkörper bestehen ebenfalls aus hochtransparentem Werkstoff und nehmen in ihrem Inneren umlaufendes flüssiges Trågermedium 3 auf, in welchem Fluoreszenzmoleküle eingelagert sind Die Fließrichtung des Mediums ist in Fig. 5 mit dem Pfeil D angedeutet. Die Kopfenden 22 sind mit Abschrägungen versehen und gänzlich verspiegelt ausgebildet, während die gegenüberliegenden Endstücke 23 ringförmig ausgebildete Lichtaustrittsflächen 24 aufweisen, die von verspiegelten Bereichen 25 umgeben sind. Vor den Lichtaustrittsflächen 24 sind ring- förmig ausgebildete Solarzellen 26 angeordnet, in denen die austretende Lichtstrahlung in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Fluoreszenzmoleküle sind mit Punkten bzw. mit kleinen Kreisen dargestellt. Der Pfeil E zeigt andeutungsweise den Verlauf eines Lichtstrahles im Bereich der verspiegelten Kopfenden 22.
Die Funktion der Vorrichtung gemäß Fig. 4 bis Fig. 6 entspricht der Funktion der Anordnung gemäß Fig. 1 bis Fig. 3 und wird daher nicht nochmals gesondert erläutert. Der Kasten 21 ist an seiner Innenseite verspiegelt ausgebildet (Spiegelfläche 27). Die Spiegelfläche 27 ist den Rundungen der darüber angeordneten Kollektoren 20' angepaßt. Das flüssige Trägermedium (Sole), welches in der oberen Schicht 20 der in Form von Hohlzylindern ausgebildeten Hohlkörper umläuft, ist so ausgebildet, daß sie eine Strahlung mit kürzieren Wellenlängen als die Fluoreszenzflüssigkeit in den darunterliegenden Hohlkörpern 20' absorbiert. Der Kasten 27 kann zum Schutz gegen Witterungseinflüsse an der Lichteintrittsseite eine beispielsweise aus Glas bestehende Abdeckplatte 28 aufweisen.
L e e r s e i t e

Claims

Vorrichtung zum Auffangen und Umwandeln von Licht- und Wärmestrahlung Patentansprüche 1. Vorrichtung zum Auffangen und Umwandeln von Licht und Wärmestrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß ein transparenter Hohlkörper (1, 20) vorgesehen ist, der die Primärseite eines Wärmeaustauschers mit umlauiendem flüssigem Trägermedium bildet, und in das flüssige Trägermedium (3) Fluoreszenzmoleküle eingelagert sind, und der transparente Hohlkörper wenigstens eine Strahlungsaustrittsstelle (9, 11, 24) für in der Vorrichtung totaireflektierte und/oder refraktierte Strahlung aufweist, und im Strahlungsaustrittsbereich der Strahlungsaustrittsstelle eine Einrichtung zur direkten Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur direkten Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie eine Solarzellenanordnung (10, 12, 26) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß daß die Einrichtung zur direkten Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie eine Thermoelementanordnung aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wandung des transparenten Hohlkörpers Thermoelemente (18) eingelagert sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Hohlkörper (1, 20) auf der Basis von Polyacrylester hergestellt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Trägermedium (3) ein Frostschutzmittel aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Hohlkörper (1) in Draufsicht gesehen teilweise einen sinusbogenformigen Umriß und einen bikonvexen Hohlraum (2) aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Hohlkörper (20) in Form eines Hohlzylinders ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Hohlkörper (2.0) nebeneinander und ggf. versetzt übereinander (20, 20') angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die der Lichteintrittsseite (B) zugewandten Hohlkörper (20) eine Fluoreszenzflüssigkeit beinhalten, die Strahlung mit kürzeren Wellenlängen als die Fluoreszenzflüssigkeit in den darunterliegenden Hohlkörpern (20') absorbiert.
11 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellen dem Emissionsspektrum der Fluoreszenzfüssigkeit angepaßt sind.
12. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kantenflächen des Hohlkörpers (1,-20) teilweise verspiegelt ausgebildet sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten des Hohlkörpers wenigstens abschnittsweise Abschrägungen (4) aufweisen.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die der Lichteintrittseite (3) zu gewandte Hohlkörperseite eine Anti-Reflexionsbeschichtung aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Kollektoraufnahme vorgesehene Einrichtung im Hohlkörperaufnahmebereich verspiegelt ausgebilde ist (1k, 27)o