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Die Erfindung betrifft eine mechanische Konstruktion einer Steuerung von Lichtlenkungseinrichtungen. Die Konstruktion basiert auf thermisch bedingten Längeänderungen zwei paralleler Bänder. Die bei unterschiedlicher Belichtung bzw.
Erwärmung entstehenden Längeänderungen werden mechanisch auf Steuerelemente übertragen die der Lichtlenkung oder Lichtbündelung oder Beschattung dienen.
Übliche Lichtsteuerungen basieren auf elektromechanischen Mechanismen die auf Signale der Photovoltaikelemente reagieren. Sie bedienen sich der elektrischen Motoren, die die elektrische Signale in mechanische Bewegungen umwandeln. Es handelt sich um verhältnismässig komplizierte und daher anfällige Einrichtungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Schaffen eines Lichtlenkungseinrichtung die nur mit Sonnenlicht thermisch-mechanisch angetrieben wird. Eine weitere Aufgabe der vorliegende Erfindung ist es, ein Solarkollektor zu schaffen, der ohne Steuerung von aussen das einfallende Licht zu jedem Zeitpunkt in eine zum Absorber annähernd lotrechte Richtung lenkt und auf schmale, mit Photovoltaikstreifen versehene Absorber bündelt und im Überhitzungsfall das Sonnenlicht vom Absorber ablenkt und so vor weiterer Erwärmung schützt.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, der Steuermechanismus (Lichtverfolger) hauptsächlich aus zwei parallel angeordneten Bändern besteht, die an einem Ende des drehbaren Trägerrohrs durch eine Feder und am anderen Ende über die Seile und Rollen befestigt sind. Die Bänder bestehen aus Kunststoff oder Metall, wobei die bestrahlten Oberflächen matt und geschwärzt und die nach innen gerichteten Oberflächen glatt (verspiegelt) sind, um den Strahlungswärmeaustausch zwischen ihnen zu unterdrücken. Die Seile werden in den Rollen in Richtung Drehachse geführt und um den Trägerzapfen gewickelt. Die Situierung und die Neigung der Achse ist dabei nicht relevant so lange sie nicht lotrecht zur Doppelbandlängsachse läuft. Bei unsymmetrischer Belichtung bzw.
Erwärmung kommt es zu unterschiedlicher Längenänderung der Bänder, die von den Seilen durch Drehung des Trägerrohrs bzw. des ganzen Lichtverfolgers ausgeglichen wird. Der Lichtverfolger dreht sich solange in Richtung Lichtquelle, bis die Bänder annähemd gleich stark bestrahlt bzw. erwärmt werden. Weil in symmetrienaher Lage der Längenunterschied gering ist, ist unter den Bändern ein länglicher Parabolspiegel am Trägerrohr befestigt, dessen symmetrischer Brennpunkt (Brennlinie) ausserhalb der Bänderfläche liegt. Bei kleinen Abweichungen der Lichteinfallrichtung von der Symmetrieachselfläche des Lichtverfolgers reflektiert der Spiegel die Strahlung auf nur ein Band und verstärkt die Wirkung des Lichtverfolgers.
Ein Solarkollektor mit oben genannten Lichtverfolger lenkt mittels lichtlenkenden Lamellen das einfallende Licht zu jedem Zeitpunkt in eine zum Absorber annähernd lotrechte Richtung. Im Solarkollektor mit einem Absorber aus schmalen Streifen/Röhrchen wird das Licht mittels beweglicher, länglicher Parabolspiegel auf die Wärmeabsorber- bzw.
Photovoltaikstreifen gebündelt. Im Überhitzungsfall dreht ein Bimetallhebel die Reflektoren so, dass das Licht vom Absorber weg gelenkt wird.
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Die Steuerung der Lichtlenkung wird von wartungsfreien, im Kollektorgehäuse befindlichen Lichtverfolgem und Bimetallhebeln ausgeführt. Die Optimierung der gesteuerten Parabolspiegel kann durch die zusätzliche Verwendung der Lenklamellen geschehen. Weil der optimale Winkelbereich der lenkbaren Parabolspiegel kleiner ist als jener der Lenklamellen, wird der jahreszeitabhängige Lichteinfallwinkel (Höhe) von den gesteuerten horizontalen Parabolspiegeln und der tageszeitabhängige Winkel (Azimut) von den gesteuerten vertikalen Lamellen korrigiert. Die Lamellen mit dem Bimetallhebel übernehmen auch die Rolle des Überhitzungsschutzes. Da sich alle beweglichen Elemente innerhalb des Kollektorgehäuses befinden und die Steuerung ohne Fremdenergie bzw. äussere Bauteile auskommt, können lange wartungsfreie Betriebszeiten erwartet werden.
In der Folge wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: FIG. 1 Lichtverfolger in axonometrischer Darstellung FIG. 2 Lichtverfolger in Ansicht FIG. 3 Lichtverfolger im Schnitt I FIG. 4 Lichtverfolger im Schnitt ll FIG. 5 Lichtlenkungsschema - Lamellenanstellung bei Lichteinfallwinkel 50,40, 30 und 20
Grad FIG. 6 Kollektor mit drehbaren Lamellen - Schemaschnitt FIG. 7 Verschiebbare Parabolspiegel - Lichtlenkung und -Bündelung beim Lichteinfallwinkel
115 Grad FIG. 8 Verschiebbare Parabolspiegel - Lichtlenkung und -Bündelung beim Lichteinfallwinkel
90 Grad FIG.
9 Verschiebbare Parabolspiegel - Lichtlenkung und -Bündelung beim Lichteinfallwinkel
75 Grad FIG.10 Kollektor mit verschiebbaren Parabolspiegel - Schemaschnitt FIG.11Drehbare Parabolspiegel - Lichtlenkung und-Bündelung beim Lichteinfallwinkel 90
Grad FIG.12 Drehbare Parabolspiegel - Lichtlenkung und -Bündelung beim Lichteinfallwinkel 60
Grad FIG.13 Drehbare Parabolspiegel - Lichtlenkung und-Bündelung beim Lichteinfallwinkel 20
Grad FIG.14 Kollektor mit drehbaren Parabolspiegel - Schemaschnitt
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Der Steuermechanismus (Fig.l) bzw. Lichtverfolger (1) besteht hauptsächlich aus zwei parallel angeordneten Bändern (2), die an einem Ende des drehbaren Trägerrohrs (22) durch eine Feder (23) und am anderen Ende über die Seile (24) und Rollen (25) befestigt sind.
Die Bänder bestehen aus Kunststoff oder Metall, wobei die bestrahlten Oberflächen matt und geschwärzt und die nach innen gerichteten Oberflächen glatt (verspiegelt) sind, um den Strahlungswärmeaustausch zwischen ihnen zu unterdrücken. Die Seile werden in den Rollen (25) in Richtung Drehachse geführt (26) und um den Trägerzapfen (27) gewickelt. Die Situierung und die Neigung der Achse ist dabei nicht relevant so lange sie nicht lotrecht zur Doppelbandlängsrichtung läuft. Bei unsymmetrischer Belichtung bzw. Erwärmung kommt es zu unterschiedlicher Längenänderung (2) der Bänder, die von den Seilen (24) durch Drehung des Trägerrohrs (22) bzw. des ganzen Lichtverfolgers (1) ausgeglichen wird. Der Lichtverfolger (1) dreht sich solange in Richtung Lichtquelle, bis die Bänder (2) annähernd gleich stark bestrahlt bzw. erwärmt werden.
Weil in symmetrienaher Lage der Längenunterschied gering ist, ist unter den Bändern ein länglicher Parabolspiegel (4) am Trägerrohr befestigt, dessen symmetrischer Brennpunkt (Brennlinie) (28) ausserhalb der Bänderfläche liegt. Bei kleinen Abweichungen der Lichteinfallrichtung von der Symmetrieachse/fläche (3) des Lichtverfolgers reflektiert der Spiegel die Strahlung auf nur ein Band und verstärkt die Wirkung des Lichtverfolgers.
Ein Lichtverfolger (1) verändert die Lage der Lenkungslamellen (8), die mit Seilen und Anker (21) zum Gehäuse (5) befestigt sind , ein zweiter Lichtverfolger (1) die Lage der Parabolspiegel (14). Bei flachen Absorbern (7) reicht es, allein die lichtreflektierenden Lenkungslamellen (8) zu steuern, um nahezu lotrechten Lichteinfall und Überhitzungsschutz zu erreichen. Der Lichtverfolger dreht sich zur Lichteinfallsrichtung, wobei seine Drehbewegung durch die Steuerscheibe (12), Seile (10) und Federn (11) auf die Lamellen (8) übertragen wird. Der Übertragungswinkel ist durch die Randkurve der Drehscheibe (12) definiert bzw. vom momentanen Radius (31) abhängig. Im Überhitzungsfall wird die Steuerung vom Bimetallhebel (19) übernommen. Die Federn (11) erlauben die Flachlegung der Lamellen unabhängig von der Position des Lichtverfolgers (1).
Der Bimetallhebel (19) ist an der voraussichtlich heissesten Stelle des Absorbers befestigt. Seine Durchbiegung wird über das Seil (20) direkt auf die Lamellen (8) übertragen. Der je nach Jahres- und Tageszeit räumlich unterschiedliche Einfallswinkel der Sonnenstrahlen kann durch die Lichtlenkung mit zwei unabhängigen Steuerungsmechanismen und zwei Lamellenschichten, die um 90 Grad zueinander versetzt angeordnet sind, ausgeglichen werden.
Besonders wirtschaftlich ist der Kollektor durch die Lichtbündelung mit Parabolspiegeln (14), da die Fläche des Absorbers (13) bzw. der Photovoltaikstreifen (16) bzw. beider zusammen, minimiert wird. Je nach Ausrichtung des Kollektors ergeben sich verschiedene Winkelbereiche des Lichteinfalls (31), was unterschiedliche Bewegungen der Parabolspiegel (14) erfordert. Bei südlicher Orientierung und günstiger Neigung des Kollektors bzw. nahezu lotrechtem Lichteinfall reicht es, die aneinandergereihten Parabolspiegel je nach Jahreszeit zu verschieben (Fig. VII). Bei ungünstiger Neigung ist es besser, alle Parabolspiegel parallel zu drehen (Fig.Vlll). Die Drehachse (29) der Parabolspiegel kann in diesem Falle mit dem Absorberstreifen zusammenfallen. Zur Steuerung werden alle Parabolspiegel untereinander mittels Seilen (30) oder Drähten verbunden.
Diese Seile (30) werden über die Federn (11) mit den Steuerungsseilen (10) des Lichtverfolgers (1) verbunden, die um dessen Steuerscheibe (12) gewickelt sind. Die Steuerscheibe ist so geformt, dass der Drehwinkel der Parabolspiegel etwa dem halben Drehwinkel des Lichtverfolgers entspricht. Ähnlich wie bei Lamellen erlauben die Federn (11 ) im Überhitzungsfall das Flachlegen der Parabolspiegel (14) auch gegen die Steuerung des Lichtverfolgers. In diesem Falle wird die Steuerung vom Bimetallhebel (19) übernommen. Der Bimetallhebel ist an der voraussichtlich heissesten Stelle des Sammelkanals (17) bzw. des Fortlaufrohrs (18) befestigt. Seine Durchbiegung wird über das Seil (20) direkt auf die Parabolspiegel (14) übertragen um im Notfall das Licht vom Absorber weg zu lenken.
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The invention relates to a mechanical construction of a control of light control devices. The construction is based on thermally induced changes in length of two parallel belts. The with different exposure or
Length changes that occur during heating are mechanically transferred to control elements that serve to direct or bundle light or shade.
Common lighting controls are based on electromechanical mechanisms that react to signals from the photovoltaic elements. They use the electric motors that convert the electrical signals into mechanical movements. These are relatively complex and therefore vulnerable facilities.
The object of the present invention is to create a light control device which is driven thermally and mechanically only with sunlight. Another object of the present invention is to provide a solar collector which, without external control, directs the incident light at any time in a direction approximately perpendicular to the absorber and focuses it on narrow absorbers provided with photovoltaic strips and deflects the sunlight from the absorber in the event of overheating and thus protects against further heating.
The invention is characterized in that the control mechanism (light tracker) mainly consists of two bands arranged in parallel, which are fastened at one end of the rotatable support tube by a spring and at the other end via the cables and rollers. The tapes are made of plastic or metal, with the irradiated surfaces matt and blackened and the inward surfaces smooth (mirrored) to suppress the radiant heat exchange between them. The ropes are guided in the rolls in the direction of the axis of rotation and wound around the support pin. The location and inclination of the axis is not relevant as long as it does not run perpendicular to the double belt longitudinal axis. With asymmetrical exposure or
Heating leads to different lengths of the bands, which is compensated for by the ropes by rotating the support tube or the entire light tracker. The light tracker rotates in the direction of the light source until the strips are irradiated or heated to approximately the same extent. Because the difference in length is small in a position close to the symmetry, an elongated parabolic mirror is attached to the support tube, the symmetrical focal point (focal line) of which lies outside the band surface. In the event of small deviations in the direction of light incidence from the axis of symmetry of the light tracker, the mirror reflects the radiation onto only one band and enhances the effect of the light tracker.
A solar collector with the above-mentioned light tracker directs the incident light at any time in a direction almost perpendicular to the absorber by means of light-guiding slats. In the solar collector with an absorber made of narrow strips / tubes, the light is directed onto the heat absorber or
Bundled photovoltaic strips. In the event of overheating, a bimetal lever turns the reflectors so that the light is directed away from the absorber.
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The control of the light control is carried out by maintenance-free light trackers and bimetallic levers located in the collector housing. The optimization of the controlled parabolic mirrors can be done by the additional use of the steering slats. Because the optimal angular range of the steerable parabolic mirrors is smaller than that of the steering slats, the seasonally dependent light incidence angle (height) is corrected by the controlled horizontal parabolic mirrors and the time of day dependent angle (azimuth) by the controlled vertical slats. The slats with the bimetal lever also take on the role of overheating protection. Since all movable elements are located within the collector housing and the control does not require external energy or external components, long maintenance-free operating times can be expected.
The invention is explained in more detail below on the basis of the exemplary embodiments illustrated in the figures. It shows: FIG. 1 light tracker in axonometric representation FIG. 2 light trackers in view FIG. 3 light tracker in section I FIG. 4 light trackers in section ll FIG. 5 Light control scheme - slat adjustment at light incidence angles 50, 40, 30 and 20
Degree FIG. 6 collector with rotating lamella - schematic section FIG. 7 Sliding parabolic mirrors - light control and focusing at the angle of incidence
115 degrees FIG. 8 Movable parabolic mirrors - light control and focusing at the angle of incidence
90 degrees FIG.
9 Slidable parabolic mirrors - light control and focusing at the angle of incidence
75 degrees FIG. 10 collector with sliding parabolic mirror - schematic section FIG. 11 rotating parabolic mirror - light control and focusing at the angle of incidence 90
Degree FIG. 12 Rotatable parabolic mirrors - light control and focusing at a light incidence angle of 60
Degree FIG. 13 Rotatable parabolic mirrors - light control and bundling at light incidence angle 20
Degree FIG. 14 collector with rotating parabolic mirror - schematic section
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The control mechanism (Fig.l) or light tracker (1) mainly consists of two parallel arranged bands (2) which are connected to one end of the rotatable support tube (22) by a spring (23) and at the other end via the cables (24) and rollers (25) are attached.
The tapes are made of plastic or metal, with the irradiated surfaces matt and blackened and the inward surfaces smooth (mirrored) to suppress the radiant heat exchange between them. The ropes are guided in the rollers (25) in the direction of the axis of rotation (26) and wound around the support pin (27). The location and inclination of the axis is not relevant as long as it does not run perpendicular to the double belt longitudinal direction. With asymmetrical exposure or heating, there is a different length change (2) of the strips, which is compensated for by the ropes (24) by rotating the support tube (22) or the entire light tracker (1). The light tracker (1) rotates in the direction of the light source until the strips (2) are irradiated or heated to approximately the same extent.
Because the difference in length is small in a position close to the symmetry, an elongated parabolic mirror (4) is attached to the support tube, the symmetrical focal point (focal line) (28) of which lies outside the surface of the strip. In the event of small deviations in the direction of light incidence from the axis of symmetry / surface (3) of the light tracker, the mirror reflects the radiation onto only one band and enhances the effect of the light tracker.
A light tracker (1) changes the position of the steering slats (8), which are attached to the housing (5) with ropes and anchors (21), a second light tracker (1) changes the position of the parabolic mirrors (14). In the case of flat absorbers (7), it is sufficient to control the light-reflecting steering slats (8) alone in order to achieve almost perpendicular incidence of light and protection against overheating. The light tracker rotates to the direction of light incidence, its rotational movement being transmitted to the slats (8) by the control disk (12), ropes (10) and springs (11). The transmission angle is defined by the edge curve of the turntable (12) or depends on the current radius (31). In the event of overheating, control is taken over by the bimetal lever (19). The springs (11) allow the slats to be laid flat regardless of the position of the light tracker (1).
The bimetallic lever (19) is attached to the hottest part of the absorber. Its deflection is transmitted directly to the slats (8) via the rope (20). The angle of incidence of the sun's rays, which varies spatially depending on the time of year and day, can be compensated for by directing the light with two independent control mechanisms and two slat layers that are offset by 90 degrees to each other.
The collector is particularly economical due to the light bundling with parabolic mirrors (14), since the area of the absorber (13) or the photovoltaic strips (16) or both together is minimized. Depending on the orientation of the collector, there are different angular ranges of the incidence of light (31), which requires different movements of the parabolic mirror (14). If the collector is oriented to the south and the inclination is favorable or the light is almost perpendicular, it is sufficient to shift the parabolic mirrors in a row depending on the season (Fig. VII). If the inclination is unfavorable, it is better to turn all parabolic mirrors in parallel (Fig.Vlll). In this case, the axis of rotation (29) of the parabolic mirror can coincide with the absorber strip. For control, all parabolic mirrors are connected to each other by means of ropes (30) or wires.
These cables (30) are connected via the springs (11) to the control cables (10) of the light tracker (1), which are wound around the control disc (12). The control disc is shaped so that the angle of rotation of the parabolic mirror corresponds to approximately half the angle of rotation of the light tracker. Similar to lamellae, the springs (11) allow the parabolic mirror (14) to lie flat against overheating in the event of overheating. In this case, control is taken over by the bimetallic lever (19). The bimetallic lever is attached to the hottest point of the collecting duct (17) or the progress pipe (18). Its deflection is transmitted via the rope (20) directly to the parabolic mirror (14) in order to direct the light away from the absorber in an emergency.