AT503992B1 - Vorrichtung zur bedarfsangepassten erfassung von solarstrahlung - Google Patents

Description

2 AT 503 992 B1

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur bedarfsangepassten Erfassung von Solarstrahlung. Sie betrifft das Fachgebiet der Heizungs- und Energiewandlungstechnik insbesondere Bestandteile von Solar- und Photovoltaik-Anlagen.

Einsatz findet diese Vorrichtung vorzugsweise zur Warmwasserbereitung, Heizung, Kühlung und in geringerem Maße zur Stromversorgung. Sie kann auf Wände und Dächer montiert werden, in Gebäudestrukturen integriert werden oder frei aufgestellt sein und weist einen Wirkungsgrad auf, welcher dem jährlichen Bedarf optimal anpassbar ist.

Stand der Technik

Moderne Solaranlagen wandeln die solare Einstrahlung mithilfe von Flachkollektoren oder Vakuumröhrenkollektoren mit CPC-Reflektor (Compound Parabolic Concentrator) maximal in Wärme und folglich Warmwasser um. Absorption und auch Reflexion werden dabei so ausgenützt, dass für eine bestimmte bestrahlte Fläche auch aus unterschiedlichen Einstrahlwinkeln ein Maximum an Wärmemenge an den Absorber abgegeben wird. Darüber hinaus wird die Ausrichtung gegenüber der Sonne durch Einrichtungen optimiert, indem Neigung und Horizontalausrichtung des gesamten Kollektor-Elements von Ost nach West automatisch angepasst wird. Bei starren Systemen, oder Systemen welche aus ästhetischen Gründen keine Bewegung der gesamten Kollektorfläche zulassen, werden besonders geformte Spiegel zur Wirkungsgrad-Steigerung für bestimmte Winkel eingesetzt.

Aus DE 94 18 431 U ist ein spezieller Spiegel offenbart, welcher eine als „laxodrom“ bezeichne-te Form aufweist und dem Ausgleich der jahreszeitlichen Schwankungen dient. Ein oberer und ein unterer Spiegel sowie ein Absorber oder eine Vakuumröhre bilden den Solarkollektor.

Aus DE 298 12 174 U ist ein Thermischer Sonnenspiegelkollektor bekannt, in welchem mehrere drehbar gelagerte Planspiegel die Solarstrahlung auf einen längenzylindrischen Solarabsorber lenken. Die Spiegel können dabei durch Motor und Zeitsteuerung optimal eingestellt werden.

Aus US 4,572,160 ist schließlich ein Heliotropic Solar Heat Collector System bekannt, welches ein Ost-West Sonnen-Verfolgungssystem aufweist und die Solar-Strahlung über einen definierten Öffnungswinkel eindringen lässt. Diese Strahlung wird über Spiegel auf zwei Seiten eines Kollektor-Absorbers reflektiert, wobei entweder die erste Reflexion oder über zwei Spiegel die zweite Reflexion die Absorberfläche erreicht. Die Ausrichtung ist mittelbar tagsüber stets direkt der Sonne zugewandt. Bei der Grenze der Wärmekapazität können optional Photovoltaik-Elemente als Blende über das Solarfenster geklappt werden, wodurch anstelle von Wärme, das Licht in elektrischen Strom gewandelt wird.

Nachteilig an obigen Systemen ist die Entstehung von Überschussenergie, die Notwendigkeit einer permanenten Nachführung der Elemente gegenüber der Sonnenposition und der aufgrund der beweglichen Teile hohe Wartungsaufwand und Anfälligkeit für Fehler. Darüber hinaus wird die Diskrepanz aus hohem Bedarf an Wärme und Warmwasser bei schlechter Ausbeute im Winter und geringer Bedarf bei hoher Ausbeute im Sommer nicht beseitigt. Die meisten Systeme zielen auf höchstmöglichem Wirkungsgrad bei gegebener Solarfläche, wobei auch die Kosten für die Errichtung und Wartung von immanenter Bedeutung sind.

Aufgabe der Erfindung

Basierend auf diesen Stand der Technik wurde eine Vorrichtung zur bedarfsangepassten Erfassung von Solarstrahlung gesucht. Diese soll möglichst kostengünstig aus Standardbauelementen bildbar, einen für die bestrahlte Fläche idealen Wirkungsgrad aufweisen. Sie soll möglichst kompakt sein, in Module formbar sein und möglichst starr im Aufbau sein. Bewegliche Teile sind insofern vorgesehen, dass dadurch die Möglichkeit für rasche Verstellungen oder Montage beziehungsweise Demontage möglich ist, oder eine Funktionsumstellung zum Beispiel auf 3 AT 503 992 B1 solares Kühlen erfolgen kann. Die erzielbare Energieaufnahme soll im Winter ausreichend für das Heizen sein, aber im Sommer dennoch die maximalen Bedürfnisse nicht überschreiten, oder gegebenenfalls ausreichend für solares Kühlen sein. Optional soll die Möglichkeit einer Zusatznutzung als Photovoltaik-Stromquelle gegeben sein und wetterbedingte Wirkverluste manuell oder automatisch korrigierbar sein. Darüber hinaus soll auch diffuses Streulicht und Reflexionslicht durch Schnee gut absorbiert werden.

Das Schutzbegehren

Zur Lösung dieser Aufgabenstellung wird der gegenständliche Solarkollektor zur bedarfsangepassten Erfassung von Solarstrahlung vorgeschlagen. Dieser weist ein Absorberelement auf. Weiters ist ein Reflektor vorgesehen, der im Querschnitt aus einem unteren 4, einem mittleren 13 und einem oberen Bereich 3 aufgebaut ist.

Mindestens eine Reflektorfläche oberhalb des Absorberelementes dient dazu flache Strahlung mit einem Einfallswinkel unter ca. 30° auf das Absorberelement zu lenken. Steilere Strahlung ab einem Einfallswinkel von über ca. 30° bewirkt jedoch eine teilweise Abschattung des Absorbers 6 vor dem einfallenden Licht.

Mindestens eine Reflektorfläche unterhalb des Absorberelementes dient der indirekten Bestrahlung der Sonne abgewandten Seite des Absorberelementes. Dazu sind im Heizbetrieb die Reflektorflächen derart ausgerichtet, dass bei niedrigem Sonnenstand die von den Reflektorflächen reflektierte Solarstrahlung im Wesentlichen auf die Kollektor-Oberfläche fällt. So wird bei flachen Sonnenstrahl-Einfallswinkeln bis 30° gegenüber dem Horizont, wie er in den Tages-Randzeiten morgens und abends und in der kalten Jahreszeit durch die Ekliptik gegeben ist, ein Großteil der Strahlung durch die Vorrichtung absorbiert und in Wärme oder auch elektrische Energie umgewandelt.

Bei hohem Sonnenstand mit steilen Sonnenstrahl-Einfallswinkeln bis 30° und mehr, bezogen auf die Horizontal-Ebene, bedingt die Ausrichtung, dass wenig bis keine direkte Solarstrahlung von den Reflektorflächen auf die Absorber-Oberfläche reflektiert wird.

Ab 40° wird das Sonnenlicht von der unteren Reflektorfläche wieder zurückgeworfen ohne auf die Absorberoberfläche aufzutreffen. Diese Wirkung bei Zenitstand (mittags), vor allem in der warmen Jahreszeit aufgrund der Ekliptik, verhindert ein Überhitzen des Wärmeträgers oder vermeidet eine unerwünschte nicht benötigte Energieabsorption die zu Schädigungen führen könnte.

Bei einem Einfallswinkel unter ca. 25° werden einfallende Lichtstrahlen, direkt über den unteren Reflektorbereich 4 oder gegebenenfalls über eine weitere Reflexion über den mittleren Reflektorbereich 13, auf die Unterseite des Absorbers 6 gelenkt.

Vorzugsweise ist zumindest eine der Reflektorflächen mehrteilig aus Plan-Spiegelflächen aufgebaut, wodurch der Aufbau einfach, kostengünstig und den geographischen Erfordernissen leicht angepasst werden kann.

Zum einfachen Transport und zur leichten Montage an Gebäuden weist die Erfindung einen quaderförmigen flachen Licht einlassenden Kasten als Gehäuse und als Träger für mindestens ein Absorberelement und mindestens eine Reflektorfläche auf. Dadurch können gleichartige vorgefertigte Module leicht aneinander gefügt werden und verbunden werden. Durch reflektierende Seitenwände wird auch schräg einfallendes Licht über die Reflektorflächen wieder optimal auf die Absorberelemente gelenkt.

Vorteilhaft kann eine Winkelverstelleinrichtung für mindestens eine Reflektorfläche vorgesehen sein. Die Winkel können simultan über Getriebe oder Riemen in vorgegebenen Verhältnissen 4 AT 503 992 B1 zueinander verstellbar sein oder jede Fläche kann auch einzeln verstellbar sein. Dadurch lassen sich ebenfalls Optimierungen für bestimmte Neigungswinkel von Dächern oder Wänden vor Ort vornehmen. Auch kann der Wirkungsgrad einen z.B. durch einen Positionierungshebel für den Betrieb in der warmen Jahreszeit temporär oder dauerhaft erhöht werden, wodurch Bewölkung oder lokale Bedingungen wie Schattenwurf durch Bäume berücksichtigt werden können. Eine adaptive Winkelverstellung durch Zeit gesteuerte Elektromotoren oder Bimetall-Streifen kann zur weiteren Optimierung vorgesehen sein.

In diesem Zusammenhang wird auch ein möglicher Sommerbetrieb als Element für Solares Kühlen, gesehen wobei die Winkeleinstellungen anders als für den Heizbetrieb erfolgen.

Als Absorberelement kann ein Vakuum-Absorber-Rohr eingesetzt werden oder es kann Absorberblech ähnlich jenen in Flachkollektoren zur Wärmeaufnahme dienen.

Eine Winkelverstelleinrichtung für die Absorberfläche kann zur Optimierung vorgesehen sein. Dies ist bei Flachkollektoren über Bandscharniere zwischen Absorberblech und Wärmetauschrohr möglich.

Zur zumindest teilweisen elektrischen Nutzung der Solarenergie kann mindestens eine Seite des Absorberelementes eine Photovoltaikzelle tragen. Diese kann je nach dem Bedarf nach Warmwasser oder elektrischer Leistung entweder im stärker oder im schwächer bestrahlten Teil der Oberfläche des Absorberelementes angeordnet sein.

Dadurch kann vorteilhaft eine Pumpe zum Transport des Wärmemediums vorgesehen werden, welche durch den Solarstrom aus der Photovoltaikzelle betrieben wird. Dadurch ergibt sich eine strahlungsabhängige Förderleistung.

Die Erfindung wird anhand beiliegender Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 bis Fig. 4 ein Beispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Querschnitt mit unterschiedlichen solaren Einstrahlwinkeln

Fig. 5 die Auswirkungen der Reflexionen innerhalb der Vorrichtung laut Beispiel Fig. 1 - 4 im Winkelverlauf von 5° bis 30°,

Fig. 6 den Schnitt durch ein mögliches Beispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den ermittelten optimalen Stell- oder Knickwinkeln für die Reflektorfläche(n)

Fig. 7 bis Fig. 10 zeigen verschiedene Innenkonturen der Reflektorflächen mit Abdeckung und die Außenkontur des Absorbers im Schnitt.

Fig. 11 und Fig. 12 zeigen die Anordnung mehrerer Elemente in einem Gehäuse (Querschnitts-Darstellung).

Fig. 13 und Fig. 14 zeigt die Anordnung in Schräglage (Dachkollektor).

Fig. 15 ein Beispiel in räumlicher Darstellung.

In Fig. 1 ist der schematische innere Aufbau eines Beispieles der Vorrichtung 1 zur Erfassung von Solarstrahlung gezeigt. Der Sonneneinfallswinkel ist hier 5° gegenüber der Horizontalebene. Die Solarstrahlung fällt durch die Abdeckung 8 auf die obere Oberfläche 5 des Absorberelementes 2, welches hier ein Flächenabsorber 12 vorzugsweise aus Aluminium- oder Stahlblech mit hoch absorbierendem Anstrich (schwarz) ist. Daneben fällt die Solarstrahlung auf die Reflektorfläche 3 oberhalb des Absorberelementes 2 und auf die Reflektorfläche 4 unterhalb des Absorberelementes 2 von, wo sie einfach reflektiert wird. Die mittlere Reflektorfläche 13 5 AT 503 992 B1 dient als Zweitreflexionsfläche. Bei 5° wird ein Teil der Strahlung noch reflektiert wodurch nur ca.60% der durch die Abdeckung gelangenden Strahlung auf das Absorberelement fällt. Dennoch ergibt sich hier ein gegenüber Vollflächenkollektoren ein höherer Temperaturgradient, welcher bessere Wärmeübertragung ermöglicht.

Fig. 2 zeigt das Beispiel aus Fig. 1 mit einem Einfallswinkel von 10° gegenüber der Horizontalebene. Ab diesem Winkel trifft sämtliche durch die Abdeckung 8 fallende Strahlung auf der Oberfläche 5, 6 des Absorberelementes 2 auf (100%). Aufgrund der im Vergleich zur Abdeckung 8 kleineren Fläche erhöht sich die Temperatur rascher, da eine gewisse Strahlenüberlagerung (Bündelung) erfolgt.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen die Reflexionen bei 40° bzw. 50°. Hier wird nur noch die direkt bescheinbare Oberfläche 5 von der Strahlung erreicht. Aufgrund des Stellwinkels der oberen Reflektorfläche 2 (hier: 30°) bildet sich darüber hinaus eine Abschattung eines Teiles der oberen Absorberelement-Fläche. Diese Abschattung nimmt mit steigendem Winkel weiter zu, bis bei einer (gedachten) Einstrahlrichtung von 90° keine direkte Strahlung mehr auf das Absorberelement fällt. Das Streulicht sei hier vernachlässigt. Die mittlere Reflektorfläche 13 wird bei diesen Winkeln von keiner direkten Sonneneinstrahlung und keiner ersten Reflexion durch die untere Reflektorebene 4 getroffen.

Fig. 5 soll die unterschiedliche Effizienz der Solarstrahlung in Abhängigkeit zum Einstrahlungswinkel verdeutlichen. Die obere Reflektorfläche 3 weist eine Ebene auf, welche sich in Richtung normal zur Zeichenebene beliebig lang erstrecken kann. Das Absorberelement 2 ist hier symbolisch als Flachkollektor 12 dargestellt und bildet mit dem oberen Teil der Abdeckung 8 und der Reflektorfläche 3 ein dreiseitiges Prisma. Die obere Reflektorfläche weist hier eine Neigung von 30° auf, welche für höhere Einstrahlwinkel einen Schattenwurf auf die Oberfläche 5 bewirkt. Flache Einstrahlwinkel treffen auch über Reflexion über die obere Reflektorfläche 3 am Absorberelement 2 auf. Zwischen 0° und 30° wird die Einstrahlung oberhalb des Absorberelementes nahezu vollständig absorbiert. Der untere Bereich der Vorrichtung dient der indirekten Bestrahlung der Absorberelement-Unterseite 6. Für jeden planen Reflektor-Abschnitt entsteht eine Wellenfront. Ein Einfallswinkel von 10° bewirkt eine Doppelreflexion der Wellenfront über den untersten Abschnitt des unteren 4 und den obersten Abschnitt des mittleren 13 Reflektorbereiches der Reflektorfläche. Eine einfache Reflexion der Wellenfront erfolgt am zweithöchsten Abschnitt des unteren Reflektorbereiches. Hier wird durch das Absorberelement, die Abdeckung und die Reflektorfläche(n) ein achtseitiges Prisma gebildet. Die Winkel der Reflektorflächen von unten nach oben sind hier verschieden gewählt. Der unterste Reflexionsbereich reflektiert Solarstrahlung mit 10° Einfallswinkel auf den obersten Reflexionsbereich nahe der Absorberfläche und von dort auf dieselbe. Solarstrahlung mit einem Einfallswinkel von 20° wird vom untersten Reflexionsbereich direkt auf die Absorberfläche gelenkt. Einfallswinkel über 20° werden nur von einem Teil der untersten Reflexionsebene noch auf die Absorberfläche gelenkt, der Rest tritt aus der Abdeckung 8 aus. Eventuell kann aber auch eine Reflexion in der Abdeckung erfolgen. Bei Vernachlässigung dieser Reflexionen trifft bei 30° nur noch ein Viertel der in den unteren Bereich einfallenden Strahlung auf die Absorber-Unterseite. Nach oben anschließend an den untersten ebenen Reflexionsbereich folgen weitere Reflektorflächen. Die nächste hat bei 10° die volle Ausrichtung auf die Absorberfläche und die übernächste bei 5°. Dadurch ergibt sich ein vom Einfallswinkel und von der Ausrichtung der Reflektorflächen abhängiger Absorptionsgrad. Für 20° Einfallswinkel wird bereits die erste Reflexion des untersten Reflektorabschnitts auf die Absorberfläche gelenkt. Der zweite Reflektorabschnitt deckt aber nur noch die halbe Absorberflächen-Unterseite.

Der dritte Reflektorabschnitt reflektiert einfallendes Licht bis ca.25° auf das Absorberelement.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer Reflektorflächen-Anordnung. Dabei wird der Verlauf des Sonnenstandes für einen vertikal ausgerichteten Solarkollektor z.B. für 47 Grad nördlicher Breite über das Jahr sehr gut an die Bedürfnisse des Warmwasser-, Wärme-, oder Solarenergie-

Claims (9)

1. 6 AT 503 992 B1 Konsumenten angepasst. Fig. 7 zeigt die Kontur des Querschnittes von einem vertikal montierbaren Solarkollektorteil mit Flachabsorberelement 12. Fig. 8 zeigt eine Kontur eines solchen Teiles mit Vakuumröhren-Absorber. Fig. 9 und Fig. 10 zeigen weitere Konturen zur Prinzipdarstellung für den Einsatz in geneigten Dächern; hier für 45° Dachneige und ebenfalls als Kontur einer Vorrichtung mit Flach- oder mit Vakuum-Röhrenabsorber Ausführung. In Fig. 11 und Fig. 12 ist gezeigt, wie die einzelnen Vorrichtungen 1 in einer Baugruppe mit einem Kasten 7 integriert werden. So können große Flächen abgedeckt werden. Fig. 13 und Fig. 14 skizzieren Beispiele für Kästen, welche auf Dachneigungen montiert werden. Bezugszeichenliste 1 Solarkollektor-Vorrichtung 2 Absorberelement 3 oberer Reflektorbereich 4 unterer Reflektorbereich 5 direkt bescheinbare Oberfläche des Absorberelementes 6 indirekt bescheinbare Oberfläche des Absorberelementes 7 Einbaukasten (Gehäuse) 8 Abdeckung aus transparentem Material (Glas, Kunststoff) 9 Optische Vergütungsschichte 10 Dämmungsmaterial (Dämmplatte) 11 Vakuum-Absorber-Rohr 12 Flachabsorber (Absorberblech) 13 mittlerer Reflektorbereich Patentansprüche: 1. Solarkollektor (1) zur bedarfsangepassten Erfassung von Solarstrahlung mit einem Absorberelement (2) und mindestens einer Reflektorfläche (3) oberhalb des Absorberelementes (2) und mindestens einer Reflektorfläche (4) unterhalb des Absorberelementes (2), gekennzeichnet dadurch, dass der Reflektor im Querschnitt aus einem unteren (4), mittleren (13) und oberen Bereich (3) aufgebaut ist, wobei die Ausrichtung der Reflexionsfläche des unteren Reflektorbereichs (4) • bei einem Einfallswinkel der Sonnenstrahlung von über ca. 40° zu einer vollständigen Rückstrahlung des Lichtes aus dem Reflektor führt, • bei einem Einfallswinkel unter ca. 25° zu einer vollständigen Reflexion der einfallenden Lichtstrahlen, gegebenenfalls über eine weitere Reflexion über den mittleren Reflektorbereich (13), auf die Unterseite des Absorbers (6) führt und der obere Reflektorbereich (3) • bei einem Einfallswinkel der Sonnenstrahlung von über ca. 30° eine teilweise Abdeckung des Absorbers (6) vom einfallenden Lichte bewirkt, • und bei einem Einfallswinkel unter ca. 30° zu einer Reflexion des auf ihn fallenden Lichtes auf den Absorber führt.
2. 2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Reflektorflächen (3, 4, 13) mehrteilig aus Plan-Spiegelflächen aufgebaut ist.
3. 3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche von 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein quaderförmiger flacher lichteinlassender Kasten (7) als Gehäuse und Träger für mindestens einen Solarkollektor (1) dient, dessen linke und rechte Wandinnenseiten Reflektorflächen aufweisen. 7 AT 503 992 B1
4. 4. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Winkelverstelleinrichtung für mindestens eine Reflektorfläche (3, 13, 4) vorgesehen ist.
5. 5. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Absorberelement (2) ein Vakuum-Absorber-Rohr (11) dient.
6. 6. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Absorberelement (2) ein Absorberblech eines Flachkollektors (12) dient.
7. 7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Winkelverstelleinrichtung für das Absorberelement (2) vorgesehen ist.
8. 8. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Seite mindestens eines Absorberelementes (2) eine Photovol-taikzelle trägt.
9. 9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe zum Transport des Wärmemediums über die Photovoltaikzelle mit Strom versorgt wird. Hiezu 6 Blatt Zeichnungen