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    • 专利摘要:

    公开号:WO1988005518A1
    申请号:PCT/CH1988/000015
    申请日:1988-01-26
    公开日:1988-07-28
    发明作者:Hans-Joachim Dietzsch
    申请人:Dietzsch Hans Joachim；
    IPC主号:F24S10-00
    专利说明:
    [0001] Sonnenstrahlungs-Kollektor
    [0002] Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Wirkungsweise und Ausgestaltung eines hocheffizienten SonnenstrahlungsKollektors, welcher bei der Absorption von Sonnenenergie ein ihn durchströmendes Fluidum auf ungewöhnlich hohe Temperaturen bei geringen Wärmeenergie-Verlusten aufheizt. Das Wirkungsprinzip des Kollektors kennzeichnet sich zunächst dadurch, dass ein ihn durchströmendes Fluidum in einen Raum R1 eingeliefert wird, welcher vor der Eingangsfläche eines im Kollektor angeordneten Wärmetauschers liegt, dass sich in die sem Raum R1 das Fluidum verteilt und von dort aus an vielzähligen Flächen des Wärmetauschers von der der Sonneneinstrahlung zugewandten Seite zu der der Sonneneinstrahlung abgewandten Seite entlanggleitet, dass sich das Fluidum nach Verlassen des Wärmetauschers in einem Raum R2 sammelt und von dort aus thermischen Verwertungsprozessen zugeführt wird und dass der besagte Wärmetauscher einschliesslich der ihm zugehörigen Räume R1 und R2 so ausgebildet ist, dass ihre räumliche Ausdehnung längsgestreckt ist. Vorzugsweise ist diese längsgestreckte Raumausdehnung im praktischen Betrieb des Kollektors praktisch waagrecht gelegt.
    [0003] In Sinne der Erfindung liegt es weiterhin, dass der besagte Wärmetauscher die Sonnenenergie direkt und vorzugsweise zusätzlich über Spiegel eingestrahlt erhält.
    [0004] Ein bevorzugtes Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht weiterhin darin, dass die praktisch waagrecht verlaufende Lage des langgestreckten Raumes R2 etwas davon abweichend schwach nach oben in Richtung des abfliessenden, erhitzten Fluidums gerichtet ist. Der Vorteil dieser Massnahme wird noch erläutert. Es liegt weiterhin im Sinne der vorliegenden Erfindung,- dass man mehrere solcher beschriebenen langgestreckten Systeme von Raum R1 (1), Wärmetauscher (2) und Raum R2 (3) in einer Fläche paketiert, also mehrere der beschriebenen langgestreckten Kollektoren parallel zueinanderliegend aneinanderreiht. (Siehe Fig. 1, welche als Beispiel eine Aneinanderreihung von drei Kollektoren zeigt).
    [0005] (Der Doppelpfeil BB zeigt in die genannte langgestreckte Ausdehnung des Kollektors, der Doppelpfeil AA liegt senkrecht dazu und praktisch in der Auffangebene der Kollektoren.) Dabei können, wie dargestellt, die nebeneinanderliegenden Räume R1 miteinander - einen einzigen Raum R1* bildend - offen verbunden sein. Die Räume R2 sind dagegen vorzugsweise untereinander getrennt gehalten. (Siehe die in Fig. 1 dargestellten Abschottungen (7,1) und (7,2)). Die Räume R2 werden erst an ihren Enden zu einer ableitenden Sammelleitung (4) für das erhitzte Fluidum F zusammengeschlossen. Dieser Zusammenschluss kann an einem Ende oder an beiden Enden der langgestreckten, nebeneinanderliegenden Räume R2 erfolgen. Das Fluidum F tritt über die Leitung 6 in den Raum R1* ein. Der Raum R1* und die Pakete der Wärmetauscher (2) und der Räume R2 (3) sind natürlich nach aussen durch Wände, die in der Fig. 1 der Uebersicht- lichkeit wegen nicht dargestellt sind, abgeschlossen. Zwecks Einspiegelung der Sonnenenergie (9) können langgestreckte Spiegel (5) dienen, welche parallel zu den langge- streckten Kollektoren verlaufen. Die Spiegel (5) haben beispielsweise einen parabolischen Querschnitt. Die Sonnenenergie (9) strahlt über sie und direkt auf die Kollektorenfläche. Die genannten Wärmetauscher können z.B. aus nebeneinanderliegenden Lamellenblättern gebildet sein und/oder aus nebeneinanderliegenden ein- oder mehrkanäligen Kapillarenstücken mit beidseitig offenen Stirnseiten.
    [0006] Das Material der die Wärmetauscher bildenden Elemente kann beispielsweise Glas oder ein glasähnlicher Werkstoff wie Quarz sein. Diesen Werkstoffen können - zwecks Erzielung guter optischer Eigenschaften - Zusatzstoffe, wie beispielsweise Metalloxide, beigemischt sein. Diese optischen Eigenschaften kennzeichnen sich im Sinne der Erfindung durch gutes Durchlassvermögen der eingestrahlten Sonnenenergie (sichtbares Licht und kurzwelliges Infrarot) und durch gutes Absorptionsvermögen der rückgestrahlten Wärmeenergie (langwelliges Infrarot) Die innere Wandauskleidung des Raumes R2 ist vorzugsweise extrem sonnenstrahlungabsorbierend, also schwarz ausgestaltet. Sie kann zusätzlich mit einer (an sich bekannten) Beschichtung belegt sein, die eine geringere Wärmerückstrahlung gewährleistet als ein (im physikalischen Sinn) "schwarzen Körper" bei gleicher Temperaturhöhe rückstrahlt. Eine derartige Oberflächenpräparation kann auch an den Wärmetauscher-Oberflächenabschnitten vorgenommen werden, welche bei stationärem Betrieb des Kollektors höhere Temperaturen aufweisen, also welche dem Raum R2 nahegelegen sind.
    [0007] Ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung kennzeichnet sich weiter hin dadurch, dass der Raum zwischen den Spiegelflächen (5), welche die Sonneneinstrahlung in den (oder in die aneinandergereihten) Wärmetauscher erhöhen, ganz oder teilweise mit diesem Wärmetauscher (oder diesen Wärmetauschern) ausgefüllt ist, sodass ein Teil der Sonnenenergie-Einstrahlung in den Wärmetauscher (oder das Wärmetauscher-Paket) über seine Seiten flächen erfolgt.
    [0008] Fig. 2 zeigt als Beispiel eine derartige Anordnung mit ca. 75%iger Ausfüllung dieses Raumes zwischen den Spiegelschalen (5) mit drei aneinandergereihten Einzelkollektoren, deren Räume R1 durch gegenseitige Oeffnung zu einem einzigen Eingangsraum R1* vereinigt sind und deren Wärmetauscher (2) getrennt durch die Abschottungen (7,1), (7,2) aneinanderliegen. Diese aneinandergereihten Wärmetauscher können in besonderen Fällen als eine (in sich nicht abgeschottete) Einheit ausgestaltet werden, und zwar dann, wenn sie durch ihren Lamellenoder Kapillarenaufbau von sich aus bereits Abschottungen quer zu ihrer Längsausdehnung - also senkrecht zur Schnittlinie AA - aufweisen. (Dies gilt auch für die Figuren 1 und 3. Eine Anordnung von einem oder mehreren Kollektoren im Hüllfeld der Spiegelbegrenzung (5) analog Fig. 2 führt zur Reduktion der Wärmetauscher-Querschnitte in der Richtung von Raum R1 zu Raum R2.
    [0009] Vorzugsweise werden bei dieser Reduktion ebenfalls die Wärmetauscher-Strukturelemente (Lamellen und/oder Kapillarenstücke und deren Wandstärken) verkleinert. Dies kann dadurch praktisch erzielt werden, dass man die Strukturelemente in Richtung von R1 zu R2 kontinuierlich verkleinert. Fig. 2 und Fig. 3 stellen Querschnitte senkrecht zum Doppelpfeil BB der Fig. 1 dar, ihre Bezifferungen entsprechen allgemein denen der Fig. 1.
    [0010] Im Sinne der Erfindung liegt es nun weiterhin, in einer bevorzugten Ausgestaltung den Wärmetauscher (2) - oder das Paket nebeneinanderliegender Wärmetauscher (2) - in übereinanderliegende Schichten zu zerteilen. Fig. 3 zeigt (in der gleichen Schnittebene wie Fig. 2) ein Ausführungsbeispiel mit vier Teilschichten (2,1) bis (2,4) des Paketes von drei nebeneinanderliegenden Wärmetauschern. Zwischen diesen Teilschichten ergeben sich Trennräume (B2,1) bis (B2,3), sie sind vorzugsweise durch die Schotten (7,1) und (7,2) gegenseitig getrennt. Im Sinne der Erfindung kann man nun die genannten Teilschichten so ausgestalten, dass die Lamellen- und/oder Kapillarstücken- dimensionen innerhalb einer Schicht praktisch konstant sind, von Schicht zu Schicht aber variieren, insbesondere bei kleiner werdender Schichtbreite ebenfalls kleiner werden. Diese Massnahme ergibt insbesondere für die Erzeugung der Kollektors besondere Vorteile.
    [0011] Vorzugsweise sind allgemein die Kollektorenteile, welche im stationären Betrieb des Kollektors erwärmt sind, nach aussen wärmeisoliert ausgestaltet.
    [0012] Für den Fall, dass Teile der Spiegelflächen (5) einen wärmeleitenden Kontakt mit im stationären Betrieb erhitzten Teilen des Kollektors haben, sind auch diese Spiegelflächenteile mit einer äusseren Wärmeisolation vorzugsweise zu versehen. In den Figuren sind Wärmeisolationen allgemein durch die Punktierung (8) angedeutet, (in Fig. 1 der üebersichtlichkeit wegen nur ausschnittsweise). Die Wärmeisolationen können in heisseren Zonen des Gesamtsystems aus Glasschaum, Glas- oder Mineralwolle gefertigt sein, in Bereichen geringerer Erwärmung (beispielsweise in der Nähe der Räume R1) genügen zur Isolation organische Schäume wie Polystyrol-, Polyurethanschaum odgl.
    [0013] Die Spiegel (5) können gegenüber der einfallenden Sonnenstrahlung im Querschnitt konkav ausgestaltet sein. (In den Figuren ist eine konkave, parabelfärmige Form gewählt). Ebenso können die Spiegel (5) aber auch einen geradlinigen oder konvexen Querschnitt aufweisen.
    [0014] Dies gilt allgemein, also auch für die Variante, bei welcher der Raum zwischen den begrenzenden Spiegelflächen teilweise (siehe Fig. 2 und 3) oder ganz mit dem Wärmetauscher (2) ausgefüllt ist.
    [0015] Weiterhin sei die folgende Verallgemeinerung benannt: Die Räume R1 und R2 weisen in den Figuren 1 bis 3 eine ebene Oberfläche auf. ebenso die Wärmetauscher oder Wärmetauscher- Teilpakete. Diese Oberflächen können auch gekrümmt (beispiels weise zylindrisch konkav oder konvex gewölbt) ausgestaltet sein.
    [0016] In den Fällen, in welchen die Spiegel (5) im wesentlichen über den Kollektor hinausragen (z.B. nach Fig. 1), sind sie vorzugsweise optisch so ausgerichtet, dass die Sonneneinstrahlung auf die Oberfläche des oder der Wärmetauscher (2) möglichst gleichmässig verteilt ist. Die Figuren 2 und 3 zeigen wesentliche Einschnürungsverhältnisse zwischen R1 und R2 bei den Wärmetauschersystemen (2) bzw. (2,1) bis (2,4). Wenn diese Einschnürungsverhältnisse signifikant vom Betrag 1 abweichen, so kann auch die Abschottung benachbarter Räume R2 wegfallen. Es liegt dann für mehrere nebeneinanderliegende Einzelkollektoren wie bei R1* ein einziger Sammelraum R2* vor.
    [0017] Schliesslich seien noch die folgenden Extremfälle genannt: Das Spiegelsystem (5) kann (wie in Fig. 1) ganz oder überwiegend über dem Kollektorsystem angeordnet sein, wobei aber das Kollektorsystem im Gegensatz zu Fig. 1 eine signifikante Verjüngung des Wärmetauschersystems von Raum R1 zum Raum R2 analog den Figuren 2 oder 3 aufweist.
    [0018] Weiterhin kann nur einseitig eine Spiegelfläche (5) längsseitig zum, also über und/oder neben dem Wärmetauschersystem angeordnet sein. Es ist schliesslich auch möglich, auf Spiegelflächen völlig zu verzichten, die genannten anderen Merkmale aber beizubehalten.
    [0019] Vorzugsweise sind nun die längsgerichteten Kollektoren oder Kollektorpakete mit oder ohne Spiegelsysteme im praktischen Betrieb so angeordnet, dass ihre Längserstreckung BB praktisch in der West-Ost-Richtung liegt.
    [0020] Zusätzlich kann ein Drehung einer solchen Kollektoranordnung um eine Achse erfolgen, die praktisch in dieser West-Ost- Richtung liegt. Damit ist eine mechanische Nachfolge der Kollektor-Auffangebene zum Sonnenstand dergestalt möglich, dass stets eine wesentliche Komponente (9) der Sonneneinstrahlung praktisch vertikal auf diese Auffangebene auftrifft.
    [0021] Es wird weiterhin vorgeschlagen, für schwierige klimatische Verhältnisse die beschriebenen Kollektoren einschliesslich der allfälligen Spiegel mit sonnenenergiedurchlässigen Umhülltingen zu versehen. z.B. mit feststehenden (d.h. dem Lauf der Sonne nicht folgenden) Glas- oder Folienabdeckungen in Form von niedrigen Gewächshausschalen.
    [0022] Im folgenden sei noch der Vorteil beschrieben, welcher sich auf das auf Seite -1- unten und Seite -2- oben beschriebene Verfahren bezieht, den Raum R2 des Kollektors zum Ausfluss (Sammelleitung (4)) hin schwach ansteigend anzuordnen. (Es können dabei -auch der Wärmetauscher (2) und/oder der Raum R1 in gleicher Weise ansteigen.) Dadurch erfährt das im Raum R2 fliessende, erhitzte Fluidum einen Auftrieb, welcher eine Stauung oder darüberhinaus eine Rückströmung des Fluidums in den Wärmetauscher (2) und somit eine unkontrollierte Arbeitsweise des Kollektors verhindert. Diese Sicherheit kann man natürlich auch dadurch erzielen, dassman den Strömungswiderstand des Wärmetauschers entsprechend gross wählt (durch Verlängerung und/oder Verengung der Strömungskanäle des Wärmetauschers). Es liegt aber im Sinne der vorliegenden Erfindung, diesen Widerstand so klein wie möglich zu ha.lten (durch entsprechende Verkürzung und/oder Vergrösserung der Strömungskanäle des Wärmetauschers), damit die für die Förderung des Fluidums vom Raum R1 zum Raum R2 erforderliche Antriebsenergie optimal klein wird.
    [0023] Es liegt weiterhin im Sinne der Erfindung, dass das den Kollektor durchströmende Fluidum vorzugsweise im geschlossenen Kreislauf bewegt wird und dass das Fluidum dabei ausserhalb des Kollektors in einem Wärmetauscher (vorzugsweise in einem Gegenstrom-Wärmetauscher) seine ihm durch die Sonneneinstrahlung übertragene Wärmeenergie auf ein zweites Fluidum, vorzugsweise auf eine Flüssigkeit mit hoher Wärmekapazität (z.B. ein Thermoöl) überträgt. Dieses zweite Fluidum wird Verwendungsprozessen zugeleitet.
    [0024] Damit kann das im Kreislauf durch den Kollektor fliessende Fluidum mit einer relativ tiefen Temperatur in den Raum R1 eintreten. Diese Temperatur kann verfahrenstechnisch so tief gehalten werden, dass sie der am Kollektor vorhandenen Umgebungstemperatur gleicht oder nur unwesentlich höher als diese ist. Steht der Kollektor in einer (oben beschriebenen) Umhüllung, so kann im praktischen Betrieb diese Umgebungstemperatur des Kollektors 70 oC und mehr betragen.
    [0025] Vα-rzugsweise kann dabei der Boden unter einer solchen Umhüllung teilweise oder vollständig ausserhalb des ständigen Schattenbereiches der Kollektor-Spiegeleinheit extrem sonnenstrahlungsabsorbierend, also insbesondere schwarz ausgestaltet werden.
    [0026] Das durch den Kollektor fliessende Fluidum hat vorzugsweise geringe Wärmeleitfähigkeit. Es ist also vorzugsweise ein Gas (insbesondere Luft), ein Aerosol oder ein Flüssigschaum.
    [0027] Die oben genannten Wärmeisolationen (8) können auch ganz oder teilweise durch mit gegenseitigen Abständen hintereinander- gestaffeite Folien, welche Wärmestrahlung reflektieren, (z.B. Aluminiumfolien), realisiert sein. Zwischen solchen Folien können sich Gase und/oder Festkörperschäume befinden.
    [0028] Die Figuren 1 bis 3 sind der Uebersichtlichkeit wegen mass- stäblich verzerrt dargestellt. In der Praxis kann die Längsrichtung des Kollektors (in Richtung des Doppelpfeils BB in Fig. 1) mehrere Meter betragen. Dagegen sind die anderen Abmessungen des Kollektors einschliesslich der Spiegel (5) um ca. 1 bis 3 Zehnerpotenzen kleiner. Die der Sonne zugewandte Kollektorfläche hat in Richtung des Doppelpfeiles AA der Fig. 1 beispielsweise eine Breite von einem Meter. Bei einer Addition von 100 Kollektoreinheiten im obigen Sinne ergibt sich dann für eine solchen Einheit in Richtung des Doppelpfeils AA eine Breite von 1 Zentimeter.
    [0029] Weiterhin sind in den Figuren nur drei nebeneinanderliegende Kollektoreinheiten dargestellt, jede zusammengesetzt aus R1 - die in der Gesamtheit durch gegenseitige Oeffnung zu einem einzigen Eingangsraum R1* zusammengefasst sind -, Wärmetauscher (2) und R2 . In der Praxis können wesentlich mehr, im oben genannten Beispiel 100, derartige Kollektoreinheiten zu einem Gesamtkollektor nebeneinander angeordnet sein.
    [0030] Schliesslich sei noch vermerkt, dass mehrere parallel aneinan dergereihte Kollektorensysteme lt. Fig. 2 oder Fig. 3 zu eine komplexeren System vereinigt sein können.
    [0031] Die dabei (zwischen zwei parallel aneinanderliegenden, sich von R1 zu R2 verjüngenden Kollektorensystemen) vorliegenden langgestreckten offenen Zwickelräume können mit Wärmeisolationsmaterial und/oder übereinandergestaffelten Reflexionsfolien ausgefüllt sein, um thermische Randverluste zu vermeiden.
    [0032] Bei diesen eben beschriebenen komplexen Systemen können die Spiegel (5) nur an den Rändern und/oder auch an jeder einzelnen Kollektoraddition (wie bei Fig. 2 oder Fig. 3) angeordnet sein. Die Spiegel (5) können natürlich auch vollständig wegfallen.
    权利要求:
    ClaimsP a t e n t a n s p r ü c h e
    1. Sonnenstrahlungs-Kollektor, dadurch gekennzeichnet, dass ein ihn durchströmendes Fluidum in einen Raum R1 eingeliefert wird, welcher vor der Eingangsfläche eines im Kollektor angeordneten Wärmetauschers liegt, dass sich in diesem Raum R1 das Fluidum verteilt und von dort aus an vielzähligen Flächen des Wärmetauschers von der der Sonneneinstrahlung zugewandten Seite entlanggleitet, dass sich das Fluidum nach Verlassen des Wärmetauschers in einem Raum R2 sammelt und von dort aus thermischen Verwertungsprozessen zugeführt wird und dass der besagte Wärmetauscher einschliesslich der ihm zugehörigen Räume R1 und R2 so ausgebildet ist, dass ihre räumliche Ausdehnung längsgestreckt ist.
    2. Kollektor nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass seine längsgestreckte Raumausdehnung im praktischen Betrieb des Kollektors praktisch waagrecht liegt.
    3- Kollektor nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass seine längsgestreckte Raumausdehnung, insbesondere die seines Raumes R2, im praktischen Betrieb des Kollektors schwach nach oben in Richtung des abfliessenden, erhitzten Fluidums gerichtet ist.
    4. Kollektor nach Anspruch 2. und folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere langgestreckte Einzelkollektoren in einer Fläche paketiert sind.
    Weitere Patentansprüche aus dem Text und den Figuren der vorliegenden Anmeldung sind vorbehalten.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    ZA884740B|1989-03-29|
    ZA8804740B|1989-03-29|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1988-07-28| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AU BB BG BR DK FI HU JP KP KR LK MC MG MW NO RO SD SU US |
    1988-07-28| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE BJ CF CG CH CM DE FR GA GB IT LU ML MR NL SE SN TD TG |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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