DE2461973A1 - Verfahren und einrichtung zum erwaermen eines fluessigen oder gasfoermigen mediums mittels sonnenenergie - Google Patents

Description

• Verfahren und Einrichtung zum Erwärmen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums mittels Sonnenenergie Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums mittels Sonnenenerg.iey wobei die Sonnenstrahlen durch eine Reflektorvorrichtung eingefangen und auf einen Wirkbereich konzentriert werden und das Medium durch diesen Wirkbereich hindurchgeführt wird.
• Der bisher in einem grösseren Rahmen noch völlig ungenutzte Energieanfall der Sonne birgt technische Möglichkeiten der Energwegewinnung, für die sich aus der heutigen Sicht keine Hemmnisse für die Zukunft ergeben. Bei senkrechter Sonneneinstrahlung fällt auf eine Oberfläche von 10-mal 10 km eine Leistung von 100'000 MW ein. Dies entspricht einer Leistung von etwa 100 Grosskernkraftwerken zusammen. Die Sonne stellt daher für uns zweifellos ein grosses Energiepotential dar. In gewissen Ländern liessen sich Gebiete, die heute brach liegen, für Energiezwecke nutzbar machen.
• Bisher fehlt jedoch die entsprechende Solartechnologie.
• ES sind sogenannte Sonnenöfen bekannt, die Reflektoren aufweisen, welche die Sonnenstrahlen auf einen eng begrenzten Bereich konzentrieren, wobei in diesem Bereich Temperaturen bis zu 39000 c erzeugt werden, welche Temperaturen ausreichen um Werkstoffe zu schmelzen und zu verarbeitene Weiter sind schon Parabol-Zylinderspiegel vorgeschlagen worden, längs deren Brennlinie Stahlröhren zum Erzeugen von Wasserdampf angeordnet sind.
• Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung anzugeben, die gestatten den Wirkungsgrad derartiger Anlagen zu erhöhen, um damit zu einer besseren Ausnützung der Sonnenenergie beizutragen.
• Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Medium in einem für die Sonnenstrahlung transparentes Sefäss durch den Wirkbereich geführt wird, und dass die Energieübertragung auf das Medium durch direkte Einstrahlung in dasselbe er folgt.
• Die erfindungsgemässe Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens, mit wenigstens einer Reflektorvorrichtung und einem Gefäss zum Führen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums durch jenen Bereich in dem durch die Reflektorvorrichtung die Sonnenstrahlen konzentriert werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Material, aus dem das Gefäss besteht, für elektromagnetische Strahlung im Wellenbereich von 0,2 - 3 Wm durchlässig ist, und dass die Sonnenstrahlen absorbierende Mittel innerhalb des Gefässes vorgesehen sind.
• Die Erfindung ist nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 die schematische Darstellung einer Einrichtung zum Konzentrieren der Sonnenstrahlen auf ein einen Wärmeträger führendes Gefäss, Fig. 2 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform des Gefässes, Fig. 3 ein Gefcss in dem nebst dem Wärmeträger ein die Strah lung absorbierender Körper angeordnet ist, im Schnitt, Fig. 4 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des Gefässes mit Doppelwand und Fig. 5 einen Querscnitt durch ein fünftes Ausführungsbeispiel des Gefässes mit ungleichen Wandstärken.
• Die in der Fig. 1 dargestollte Einrichtung weist einen Parabol-Zylinderspiegel 1 auf, der um eine Achse 2 schwenkbar auf einem Book 3 gelagert ist, damit der Parabol-Zylinderspiegel 1 entsprochend dem Sonnenstand eingestellt werden kann. Die in den Parabol-Zylinderspiegel 1 einfallenden Sonnenstrahlen 4 werden längs der in der Fig. 1 durch einen Punkt dargestellten Brennlinie 5 konzentriert. Längs dieser Brennlinie 5 ist ein rohrförmiges Gefäss 6 so angeordnet, dass die Brennlinie 5 und die Mittellinie des Gefässes 6 zusammenfallen. Durch dieses rohrförmige Gefäss 6 wird ein flüssigen oder gasförmiges Medium, z,B.
• Wasser oder Wasserdampf, geführt. Das Gefäss 6 ist ein Teil eines nicht dargestellten Kreislaufes, welcher eine Pumpe zum Fördern des Mediums und einen Wärmeaustauscher oder eine Wärmekrafrmaschine zum Nutzbarmachen der von dem Medium aufgenommenen Wärmeenergie aufweisen kann.
• Das rohrförmige Gefäss 6 ist aus einem Werkstoff hergestellt, welcher die Sonnenstrahlen im Wellenbereich von 0,2 - 3 µm durchlässt, so dass diese Sonnenstrahlen direkt auf das Medium, z.B. Wasser, eijiwirken können. Ein solcher Werkstoff ist beispielsweise Quarzglas. Da es insbensondere wesentlich ist, dass die mittleren Infrarotstrahlen in das Medium gelangen, kann auch Kristall- oder Hartglas als Werkstoff für das gefäss 6 verwendet werden.
• Als Medium, die als Wärmeträger dienen, können alle Substanzen benützt werden, deren Absorptionsbanden innerhalb des oben genannten Wellenbereiches liegen. Im allgemeinen sind dies Substanzen die mehr als 2-atomige Moleküle besitzen, z.B. H2O, CO2 oder NH3. Mit einem derartigen lichtdurchlässigen Gefäss 6 wird erreicht, dass die Strahlungsenergie direkt in das Medium gelangt und zwar je nachdem Absorptionsspektrum des Mediums mehr oder weniger tief in dieses hinein.
• Wird beispielsweise Wasser als Medium verwendet, so kann das Wasser mit einem Farbstoff oder einem pulverisierten Fetstoff getrübt sein, um so die Absorption zu vergrössern, ohne dass dadurch die Viskosität des Gemisches Wasser-Farbstoff wesentlich beeinflusst wird Wird anstelle des Parabol-Zylinderspiegels 1 ein Parabolspiegel verwendet, so ist als Gefäss 6 eine nicht dargestellte Hohlkugel aus Quarzglas zu benützen. Diese Hohlkugel ist an eine Zuleitung zum Zuführen des Mediums und an eine Abführleitung zum Entnehmen des erwärmten Medium geschlossen.
• Die Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch ein rohrförmiges Gefäss 7, das sich insbesondere für die Verwendung zusammen mit dem in der Fig. 1 dargestellten Parabol-Zylinderspiegel 1 l eignet.
• Jene Seite 8 des Gefässes 7, die der direkten Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, ist abgeflacht, so dass diese direkten Somnenstrahlen ungehindert in das Medium 9 innerhalb des Gefässes 7 gelangen können. Wenn Wasser als Wärmeträger benützt wird, so wird die Absorption vorzugsweise durch Trüben des Wassers mit Farbstoff 10 erhöht. Die einzelnen Farbstoffkörperchen absorbieren die Sonnenstrahlen und werden dabei erwärmt und geben diese Wärme praktisch vollständig an das sie umgebende Wasser ab.
• Die Fig. 3 stellt eine weitere Atisführungsform eines rohrförmigen Gefässes 11 dar. Im Innern dieses Gefässes erstreckt sich ein Körper 12 mit sternförmigen Querschnitt. Dieser Körper 12 hat die Aufgabe, diejenige Strahlung, die durch das Medium nicht oder nicht genügend absorbiert wird und daher das Gefäss wieder verlassen würde, aufzufangen und die dabei aufgenommene Wärme an das ihn umspülende Medium abzugeben. In dem Gefäss 11 kann im Grenzfall auch ein völlig nicht absorbierendes Medium, wie z.B. Luft zirkulieren. Wie schon erwähnt, wird dann die Strahlwngsenergie durch den "schwarzen" Körper 12 in Wärmeenergie umgesetzt und diese auf konventionelle Weise an die Luft; abgegeben.
• Der Körper kann auch selektiv schwarz oder grau sein, je nachdem, ob noch teilweise Reflektion erwünscht wird, mit den Ziel, den Weg der Strahlung im Medium gerade um soviel zu verlängern, damit diese Strahlung auf dem verlängeften Weg innerhalb des Mediums von diesem absorbiert wird.
• Die Durchlässigkeit des Werkstoffes aus den das Gefäss 11 besteht, kann absichtlich selektiv gewählt werden, so dass er z1B. langwelligere Infrarotstrahlung nicht durchlässt. Dies hat den Vorteil, dass die Abstrahlung vom Innern den Gefässes wesentlich vermindert werden kann. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn erwünscht wird, da-ss sich das Medium innerhalb des Gefässes oder der Körper 12 so stark erwärmt wird, dass es bzw. er zurückzustrahlen beginnt. Eine derartige langwellige Rückstrahlung würde erfolgen, wenn der Körper sich beispielsweise bis ca. 600° C erhitzt.
• In der Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel -eines Gefässes 13 zum Führen des Mediums dargestellt. Dieses-Gefäss 13 weist eine Doppelwand, d.h. eine innere Wand 14 uud eine äussere Wand 15 auf. Die innere und äussere Wand werden durch nicht dargestellte Distanzhalter auf Abstand gehalten. Im Innenraum, der durch die Wand 14 umschlossen ist, befindet sich ein Körper 16 zum Aufnehmen der von in diesem Innenraum befindlichen Medium nicht absorbierten Strahlung und zum Abgeben der aufgenommenen Wärme an dieses Medium.
• Der Zwischenraum 17 zwischen der inneren Wand 14 und der äusseren Wand 15 dient zum Führen einer Kühlströmung aus einem strahlungsdurchlässigen Medium, wie beispielsweise N2 02 oder Luft. Dadurch wird die Temperatur der äusseren Wandung 15 sehr niedrig gehalten und wirkungsvoll verhindert, dass das grössere Wärmemengen an die das Gefäss 13 umgebende Luft abgegeben wird. Die aufgewendete KUilenenergie kann im Gegenstromverfahren wieder zurückgewonnen werden, so dass gesamthaft gesehen der Verlust an die Umgeburg auf diese Weise auf ein Minimum gesenkt werden kann.
• Da die Herstellung von genau masshaltigen Parabol-Zylinderspiegeln eine kostspielige Angelegenheit ist, wird das rohrförmige Gefäss vorzugsweise gemäss der Fig. 5 ausgebildet. Das in dieser Figur dargestellte Gefäss 18 eist ungleiche Wandstärken auf und besteht ebenfalls aus einem strahlendurchlässigen Werkstoff. Der flache Teil 19 des Gefässes 18 ist vergleichsweise zum übrigen Teil 20 des Gefässes dünnwandig und ist zum Durchlassen der direkten Strahlung bestimmt. Der dickere Teil 20 des Gefässes 18 wirkt ähnlich wie eine SammeJlinse, so dass allfällige, nicht gegen das Zentrum bzw.
• die Brennlinie des Parabol-Zylinderspiegels gerichtete, refleXtierte Strahlen 21 zumindest in den vom Medium belegten Teil oder zum im Innern des Gefässes 18 angeordneten Körper 22 gelangen. Der grosse Vorteil des Gefässes nach der Fig. 5 ist, dass an die Qualität des Parabol-Zylinderspiegels 23 keine allzu grossen Anforderungen gestellt werden müssen, wodurch die Herstellungskosten für einen solchen wesentlich gesenkt werden können. Je mehr das Gefäss 18 ähnlich wie eine Sammellinse wirkt, um so grösser kann die Toleranz der Nachfühorrichtung für den Parabol-Zylinderspiegel sein, so dass auch die Kosten für die Herstellung einer solchen Nachführvorrichtung gesenkt werden können.
• Der Vorteil des oben beschriebenen Verfahrens und der oben beschriebenen Einrichtung gegenüber den bisher bekannten Einrichtungen, bei denen der Wärmeträger-in einer Metallröhre geführt wird, ist, dass bei gleicher Leistungsdichte die Abstrahlungsverluste wesentlich geringer sind. In diesen Abstrahlungsverlusten sind sowohl die primärreflektierte Strahlung, weil kein optimal schwarzer Körper hergestellt werden kann-, als auch die sekundärabgestrahlte Energie, infolge, der erhöhten Aussenwandtemperatur des Gefässes miteinbezogen. Das lichtdurchlässige Gefäss besitzt ja theoretisch höchstens die gleiche Temperatur wie das Medium, kann aber sogar aussen wegen der kühlenden Umgebungsluft kleinere Temperaturen aufweisen. Im Gegensatz dazu, muss die Temperatur der bekannten Metallröhren grösser sein als jene des Mediums, damit eine Wärmeübertragung möglich ist.
• Die mit dem oben beschriebenen Verfahren pro Zeit- und -Flächeneinheit in das Medium übertragbare Leistungsdichte bzw. Energiemenge ist wesentlich grösser als bei den bisher bekannten Verfahren, weil die Strahlungsenergie direkt in das Medium gelangt. Dabei werden die Grenzen der Temperaturbeständigkeit des Materials aus dem das Gefäss besteht auch bei sehr grosser Konzentration der Sonnenstrahlen nicht überschritten.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Erwärmen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums mittels Sonnenenergie, wobei die Sonnenstrahlen durch eine Reflektorvorrichtung eingefangen und auf einen Wirkbereich konzentriert werden und das Medium durch diesen Wirkbereich hindurchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium in einem für die Sonnenstrahlung transparenten Gefäss durch den Wirkbereich geführt wird, und dass die Energieübertragung auf das Medium zumindest grösstenteils durch direkte Einstrahlung in dasselbe erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Medium nicht absorbierte Strahlung durch innerhalb des Gefässes angeordnete Mittel absorbiert wird und dass die von den Mitteln aufgenommene Wänneenergie durch Konvektion an das Medium abgegeben wird.

3. Verfahren nach Ahspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abführen von durch das Medium aufgenommenen Wärme durch Wärmeleitung und sekundäre Abstrahlung weitgehend verhindert wird.

4. Einrichtung zum Erwärmen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums mittels Sonnenenergie, mit wenigstens einer Reflektorvorrichtung (1) und einem Gefäss zum Führen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums durch jenen Bereich in dem durch die Reflektorvorrichtung die Sonnenstrahlen konzentriert werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Material, aus dem das Gefäss (6; 7; 11) besteht, für elektromagnetische Strahlung im Wellenbereich Von 0,2 - 3 >im durchlässig ist, und dass die Sonnenstrahlen absorbierende Mittel (10; 12) innerhalb des Gefässes vorgesehen sind, 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die absorbierenden Mittel einen Körper (12; 16; 22) mit sternförmigen Querschnitt umfassen.

-6. Einrichtung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorvorrichtung einen langgestreekten Wirkbbereich aufweist und dass sich das rohrförmige Gefässs (6; 7; 11) längs dieses Wirkbereiches erstreckt.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäss (6y 7; 11) aus Quarzglas

5 Kristallglas oder Hart glas besteht.

8. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch rekennzeicb.net, dass die Moleküle des Mediums wenigstens drei Atome enthalten, z.B. H2O oder CO2.

9. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der der Reflektorvorrichtung zugewandte Wandteil (20; des rohrförmigen Gefässes (18) zum Erzielen einer Samm@lwirkung der von der Reflektorvorrichtung reflektierten Strahlung verschiedene Dicken aufweist.

10. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet dass die absorbiereden Mittel das Medium trübende Farbstoffkörper sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrförmige Gefäss (14) zum Vermindern des Wärmeverluste von einem zweiten Gefäss (15) aus die Sonnenstrahlung durchlässigem Werkstoff umgeben ist> und zwischen den beiden Gefässen ein ringförmiger Zwischenraum (17) zum Führen einer Kühlströmung vorgesehen ist L e e r s e i t e