CH627259A5

CH627259A5 -

Info

Publication number: CH627259A5
Application number: CH1142977A
Authority: CH
Inventors: Gijsbert Prast
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1976-09-20
Filing date: 1977-09-19
Publication date: 1981-12-31
Also published as: DE2742014C2; SE7710466L; NL7610401A; JPS556822B2; CA1094419A; JPS5337925A; IT1086520B; AU510223B2; FR2365086A1; DE2742014A1; AU2882477A; GB1571038A; US4159710A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sonnenkollektor gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein Sonnenkollektor der oben genannten Art ist aus der US-PS 3 861 379 bekannt. Beim bekannten Sonnenkollektor ist zum Nachführen desselben entsprechend dem Stand der Sonne eine fotoelektrische Anordnung vorhanden, die über eine elektromagnetische Anordnung (einen Motor) mit dem Verstellmechanis-mus gekoppelt ist.

Eine zweite fotoelektrische Anordnung ist vorhanden, damit bei bedecktem Himmel das von der ersten fotoelektrischen Anordnung herrührende Drehungssignal für die elektromagnetische Anordnung unterbrochen und auf diese Weise eine Drehung der Reflektoren vermieden wird.

Ein am Ende des Tages erregter Zeitschalter sorgt dafür, dass der Motor die Reflektoren in die Morgenstellung zurückkehren Iässt.

Ein derartiges Sonnenfolgesystem ist relativ kompliziert und teuer.

Die Erfindung bezweckt nun, einen universal anwendbaren selbständig arbeitenden Sonnenkollektor mit sehr einfach und preisgünstig ausgebildeten Sonnenfolgemitteln zu schaffen.

Der erfindungsgemässe Sonnenkollektor ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet.

Eine günstige Ausführungsform des erfindungsgemässen Sonnenkollektors weist das Kennzeichen auf, dass die in der unmittelbaren Nähe des Absorbers liegenden Behälterenden vom Reflektorsystem aus gesehen vor dem Absorber, in dem Lauf der auf den Absorber fokussierten Strahlen liegen.

Dies bedeutet, dass bei richtiger Stellung der Reflektoren die beiden Behälter je ein gleich grosses Signal, eine von den Reflektoren herrührende Sonnenstrahlungsmenge erhalten. Der Vorteil dabei ist, das bei Defokussierung durch die Bewegung der Sonne nicht nur das dem einen Behälter zugeführte Signal zunimmt, sondern auch das dem anderen Behälter zugeführte Signal im gleichen Masse abnimmt, so dass ein grosses Differenzsignal erhalten wird, das zu einem grossen Arbeitsmediumsdiffe-renzdruck führt.

Eine günstige Ausführungsform des erfindungsgemässen Sonnenkollektors weist das Kennzeichen auf, dass jeder Behälter über einen Kanal, in dem sich ein Druckübertragungsmedium befindet, mit dem Verstellmechanismus verbunden ist.

Die Druckübertragung kann hydraulisch oder pneumatisch sein.

Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform des erfindungsgemässen Sonnenkollektors ist der Kanal über einen ebenfalls Druckübertragungsmedium enthaltenden Balgen mit dem Verstellmechanismus verbunden.

Vorzugsweise ist das Druckübertragungsmedium ein flüssiges Arbeitsmedium. Dies macht die Konstruktion äusserst einfach, weil keine beweglichen Trennwände zwischen den Medien in dem Behälter, in dem Kanal und dem Balgen notwendig sind.

Eine weitere günstige Ausführungsform des erfindungsgemässen Sonnenkollektors weist das Kennzeichen auf, dass die Behälterinnenwände mit einer Kapillarstruktur zum Befördern des flüssigen Arbeitsmediums versehen sind.

Die Kapillarstruktur sorgt für Rückführung an kälteren Behälterwandteilen niedergeschlagenen Arbeitsmediumkon-densates zu der als Verdampfer wirksamen, den Reflektoren zugewandten Behälterwand. Da die Kondensatrückfuhr nun auch entgegen der Schwerkraft erfolgt, bedeutet dies eine grosse Freiheit in bezug auf die Anordnung der Behälter, die nun nicht unbedingt horizontal zu stehen brauchen.

Die Kapillarstruktur gewährleistet zugleich eine gleichmäs-sige Anfeuchtung der Verdampfer-Behälterwand, so dass namentlich durch Erhitzen Austrocknen und dadurch Überhitzung der Verdampfungswand ausgeschlossen ist.

Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform des erfindungsgemässen Sonnenkollektors sind die Aussenoberflächen der den Reflektoren zugewandten Behälterwände mit einer

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schwarzen Schicht mit einem Absorptionskoeffizient für Sonnenstrahlung a 2: 0,9 versehen.

Die auf einen Behälter auftreffenden Sonnenstrahlung (X = 0,3—2(j.m)wirdaufdieseWeisezumgrösstenTeilabsorbiert.

Eine weitere günstige Ausführungsform des erfindungsgemässen Sonnenkollektors weist das Kennzeichen auf, dass die Aussenoberflächen der von den Reflektoren abgewandten Behälterwände reflektierend ausgebildet sind.

Auf den genannten Oberflächen unmittelbar eintreffende Sonnenstrahlung stört dann nicht das von den Reflektoren herrührende Signal.

D amit die Empfindlichkeit der Behälter weiter vergrössert wird, weist eine weitere günstige Ausführungsform des erfindungsgemässen Sonnenkollektors das Kennzeichen auf, dass die Behälter in einer evakuierten transparenten Umhüllung angeordnet sind.

Die beiden Behälter können dabei in einzelnen Umhüllungen oder in ein und derselben Umhüllung angeordnet sein.

Wegen der mit der evakuierten Umhüllung erhaltenen Verringerung der Wärmeverluste führt ein eintreffendes Signal nun zu einer grösseren Temperaturdifferenz zwischen den beiden Sensoren und folglich zu einem grösseren Druckunterschied zwischen den beiden Arbeitsmedien.

In Weiterbildung der Erfindung kann der von den Reflektoren abgewandte Teil der Umhüllung mit einer reflektierenden Schicht versehen sein. Dies bietet eine einzelne oder, ausser der bereits genannten, zusätzlichen Möglichkeit die von den Reflektoren abgewandte Seite der Behälter gegen unmittelbar auf die genannten Seiten eintreffende Sonnenstrahlung abzuschirmen.

Eine weitere Vergrösserung der Empfindlichkeit der Behälter ist in Weiterbildung der Erfindung dadurch erhalten, dass die Umhüllung auf der Innenseite mit einer lichtdurchlässigen, jedoch Infrarotstrahlung reflektierenden Schicht versehen ist.

Die von den Behältern ausgestrahlte Wärmestrahlung wird nun wieder zu diesen Behältern zurückgeworfen, was zu grösseren Unterschieden in den Arbeitsmediumtemperaturen und folglich in den Arbeitsmediumdrücken führt, die in den beiden Behältern herrschen.

Als Arbeitsmedium wird vorzugsweise eine organische Verbindung, insbesondere ein Freon wie CC13F, verwendet. Derartige Stoffe haben den gewünschten Siedepunkt in dem wirksamen Temperaturbereich des Systems.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung eines Sonnenkollektors mit einem Sonnenfolgesystem, das zwei Dampfspannungsbehälter als Sensoren enthält,

Fig. 2 den Sonnenkollektor nach Fig. 1 im Schnitt quer zu der Absorberlängsachse;

Fig. 3 eine Ausführungsform eines als Sensor wirksamen Dampfspannungsbehälters im Querschnitt;

Fig. 4 eine prinzipielle Darstellung einer gegenüber Fig. 2 geänderten Anordnung der Dampfspannungsbehälter.

In Fig. 1 sind mit den Bezugszeichen 1 bis 5 längliche Reflektoren bezeichnet. Die Anzahl Reflektoren kann selbstverständlich nach Wunsch gewählt werden. Die Reflektoren 1. . . 5 sind um ihre Längsachsen 6 bis einschliesslich 10 auf einem Rahmen 11 drehbar angeordnet. Die Achsen 6—10 sind mit Stangen 12—16 ortsfest verbunden, die über Stifte 17—21 mit einem Stab 22 gelenkig verbunden sind.

Auf beiden Seiten des Stabes 22 sind Balgen 23 und 24 befestigt, die über je einen Kapillarkanal 25 bzw. 26 mit einem rohrförmigen Behälter 27 bzw. 28 in offener Verbindung stehen. In den Behältern 27 und 28 befindet sich ein im Betrieb teilweise flüssiges und teilweise dampfförmiges Arbeitsmedium, während die Kapillarkanäle 25 und 26 und die Balgen 23 und 24 völlig mit flüssigem Arbeitsmedium 29 gefüllt sind (Fig. 2). Als Arbeitsme3 626 259

dium ist beispielsweise Trichlormonofluormethan (CC13F) durchaus geeignet.

Über den Reflektoren 1 —5 ist parallel zu demselben ein rohrförmiger Absorber 30 mit einem Innenrohr 31 (Fig. 2), durch 5 das ein zu erwärmendes Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser oder Öl, über eine nicht dargestellte Zu- und Abführungsleitung geführt werden kann, und einem evakuierten transparenten Aussenrohr 32, beispielsweise aus (Quarz-)Glas, fest angeordnet.

io Die über den Reflektoren 1—5 im betreffenden Fall in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Absorbers 30 liegenden Behälter 27 und 28 sind horizontal angeordnet. Die einander zugewandten Behälterenden 27a und 28a liegen, von den Reflektoren 1—5 aus gesehen, vor dem Absorber 30. 15 Die Wirkungsweise des Sonnenfolgesystems wird nun beschrieben. Deutlichkeitshalber wird von der Lage ausgegangen (Fig.2), in der bei nahezu senkrecht eintreffenden durchgezogenen Linien mit nur einem Pfeil angegebenen Sonnenstrahlen die Reflektoren 1—5 derart symmetrisch gegenüber dem Absor-20 ber 30 angeordnet und eingestellt sind (Reflektoren durch gezogene Linien dargestellt), dass die von den Reflektoren reflektierten Strahlen (gezogene Linien mit zwei Pfeilen) auf das Innenrohr 31 des Absorbers 30 konzentriert werden, wobei durch die Enden 27a und 28a der Behälter 27 und 28 gleiche kleine Teile 25 der Gesamtmenge fokussierter Strahlung abgefangen werden. Die über die Behälterenden 27a und 28a zugeführte Energie lässt einen Teil dieser Flüssigkeit verdampfen. Es herrschen dann gleiche Dampfdrücke in den Behältern 27 und 28, welche Drücke sich über die Flüssigkeit in den Kanälen 25 und 26 und in dem 30 Balgen 23 bzw. 24 in gleichem Masse, jedoch in entgegengesetztem Sinne, sich am Stab 22 auswirken. Der Stab 22 bleibt auf diese Weise in der dargestellten mittleren Lage.

Bewegt sich nun die Sonne scheinbar in Richtung von A nach B (Fig. 2), so trifft die Strahlung nicht länger senkrecht auf, 35 sondern beispielsweise wie durch den gestrichelten Strahl I angegeben ist. Bei ungeänderter Lage des Reflektors 3 gelangt der reflektierte Strahl I nicht mehr auf den Absorber 30, sondern in der Figur, links davon. Dies bedeutet, dass der auf die Behälter 27 und 28 eintreffende Lichtflecken sich in Richtung von B nach 40 A bewegt; mit anderen Worten, es fällt weniger Sonnenstrahlung auf Behälter 27 und mehr auf Behälter 28. Dadurch sinkt der Dampfdruck im Behälter 27 und der Dampfdruck im Behälter 28 steigt.

Der dadurch entstandene Druckunterschied führt dazu, dass 45 der Stab 22 und die Balgen 23,24 über einen Abstand AY nach links verschoben werden. Dabei werden die Reflektoren 1 —5 derart gedreht, dass die Sonnenstrahlung wieder auf den Absorber 30 konzentriert wird.

Trifft die Sonnenstrahlung auf die Art und Weise wie durch 50 die gestrichelten Strahlen II angegeben ist, ein, so nehmen die Reflektoren 1—5 die gestrichelt angegebenen Lagen ein mit wieder auf den Absorber 30 fokussierten reflektierten Strahlen. Im allgemeinen gilt, dass bei einer Winkelverdrehung ß der eintreffenden Sonnenstrahlung jeder Reflektor eine einzelne 55 Winkelverdrehung 'Aß erfährt.

Bewegt sich nun die Sonne scheinbar in Richtung von B nach A, so tritt der entgegengesetzte Effekt auf.

Der auf die Behälter 27 und 28 eintreffende Lichtflecken bewegt sich dann in der Figur von links nach rechts, wodurch der 60 Dampfdruck im Behälter 27 ansteigt und im Behälter 28 sinkt. Der Stab 22 wird dann nach rechts verschoben.

Das Volumen der Behälter 27 und 28 ist von der wirksamen Oberfläche 23a bzw. 24a und von dem gesamten Verstellungsabstand der Balgen abhängig.

6S Namentlich muss dieses Volumen etwas grösser sein als das Produkt der wirksamen Balgenoberfläche und des Balgenverstel-lungsabstandes. Die Behälter bleiben dann immer mit Flüssigkeit gefüllt, was notwendig ist um die vorausgesetzte Proportionalität

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zwischen Temperatur und Arbeitsmediumdruck beizubehalten. können. Die eintreffende Sonnenstrahlung wird auf diese Weise

In den Fig. 1 und 2 sind die Behälter 27 und 28 horizontal, in zum Verdampfen von Arbeitsmedium wirksamer benutzt, der Ebene senkrecht zur Absorptionslängsachse angeordnet. Die Der Behälter 33, der beispielsweise aus Glas oder Metall sein horizontal angeordneten Behälter können jedoch auch einen von kann, ist in einer evakuierten transparenten Umhüllung 35 aus 90° abweichenden Winkel mit der Absorptionslängsachse ein- 5 beispielsweise Glas oder Kunststoff, damit Wärmeverluste ver-schliessen. Ausserdem brauchen die beim Absorber liegenden ringert werden, angeordnet.

Behälterendea nicht unbedingterweise nebeneinander zu liegen, Die obere Zylinderhälfte der Umhüllung 35 ist auf der sondern sie köMnen in Richtung der Absorberlängsaehse unter- Innenseite mit einer reflektierenden Schicht 36, beispielsweise einander versnoben sein, gegebenenfalls den Absorber überlap- einem Aluminiumspiegel versehen, wodurch namentlich unmit-pend. 10 telbar von oben auf den Behälter 33 eintreffende Sonnenstrah-

Damit bei horizontal angeordneten Behältern bereits bei lung, die ein Störsignal geben würde, abgefangen wird.

Sonnenaufgang von den Reflektoren reflektierte Strahlung auf Ausserdem könnte jedenfalls auch noch die Oberseite 33a des einen Behälter,fällt, müssen die Behälter relativ lang ausgebildet Behälters33 auf der Aussenseite reflektierend ausgebildet sein, werden. • ■ beispielsweise durch Polieren der metallenen Behälterober-

Eine Verkürzung der Behälterlängen kann nun dadurch 15 fläche.

erhalten werden, dass die Behälter untereinander in einem Zum Schluss ist die Umhüllung 35 über die ganze Innenober-

Winkel den Reflektoren zugewandt angeordnet werden. Dies ist fläche mit einer lichtdurchlässigen, jedoch Infrarotstrahlung in Fig. 4 dargestellt. Selbstverständlich können dabei auch die reflektierenden Schicht 37, beispielsweise aus Indiumoxid oder Behälter selbst gekrümmt ausgebildet sein. Damit gewährleistet Zinnoxid, versehen. Auf diese Weise wird die noch durch die wird, dass die âen Reflektoren 1-5 zugewandten Verdampfer- 20 Schicht 34 ausgestrahlte Wärmestrahlung wieder zu dieser wände der Behälter 27 und 28 immer völlig mit einer Flüssigkeits- Schicht reflektiert.

Schicht bedeckt sind, sind diese Behälter auf der Innenseite mit Obschon die beschriebenen Sonnenfolgemittel für den betref-

einer Kapillarstruktur 40, beispielsweise in Form einer feinma- fenden Typ von Sonnenkollektoren mit ortsfestem Absorber und schigen Gaze oder mit Rillen in der Wand versehen. Nicht nur mit einem aus mehreren Reflektoren aufgebauten Reflektorsy-wird dann an kälteren Behälterwänden kondensierter Dampf stem besonders geeignetist, undzwarwegen derTatsache, dass durch Kapillarkräfte unter Anwendungder Oberflächenspan- die ausschliesslich zum Verdrehen der Reflektoren erforderli-nung des Kondensates zu der Verdampferwand zurückgeführt, chen Kräfte gering und auf dieser Weise die Abmessungen der sondern bleibt diese Wannd dann auch gleichmässig benetzt. Sonnenfolgemittel sehr klein sind, ist selbstverständlich auch Die Kapillarstruktur 40 ist auch in der in Fig. 3 im Querschnitt eine Anwendungbei anderen Typen von Sonnenkollektoren dargestellten Ausführungsform eines Dampfspannungsbehälter-30 möglich, beispielsweise bei Kollektoren mit nur einem grossen, sensors dargestellt. Hier befindet sich die Kapillarstruktur 40 in als Parabolfläche ausgebildeten, drehbaren Reflektor, oder bei einem abgeflachten Behälter 33, der auf der Unterseite, die im Kollektoren mit drehendem Absorber und gegebenenfalls einem Betrieb den Reflektoren zugewandt ist, mit einer schwarzen mit bewegenden Spiegelsystem usw. anwendbar. Bei den letztge-

Oberflächenschicht 34 mit einem grossen Absorptionsvermögen nannten Typen von Kollektoren geht das Interesse der erfin-für Sonnenstrahlung, beispielsweise einer Schicht Nickel- oder 35 dungsgemässen Sonnenfolgemittel jedoch teilweise verloren, Kupferoxid oder.-sulphid versehen ist, welche Schichten zugleich weil die erforderlichen grossen Verstellungskräfte zu grossen ein geringes Emissionsvermögen für Wärmestrahlen aufweisen Abmessungen dieser Sonnenfolgemittel führen würden.

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4 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Sonnenkollektor mit einem sonnenstrahlfokussierenden Reflektorsystem aus wenigstens einem länglichen und um seine Längsachse drehbar auf einem Rahmen angeordneten Reflektor, der mit einem Versfellmechanismus zur Drehung des einzelnen Reflektors gekuppelt ist, einem parallel zum Reflektor angeordneten länglichen Aßsorber zum Empfangen der von dem Reflektorkonzentrierten Sonnenstrahlung auf Sonnenstrahlung reagierenden und den Verstellmechanismus betätigenden Sonnenfol-gemitteln zum Beibehalten der Fokussierung der Sonnenstrahlung auf den Absorber, dadurch gekennzeichnet, dass die Son-nenfolgemittel zwei gegenüber dem Reflektor (1—5) liegende und sich quer zum Absorber (30) erstreckende, längliche Sensorbehälter (27,28; 33) enthalten, mit zwei in der unmittelbaren Nähe des Absorbers liegenden Enden, wobei in jedem Behälter (27,28; 33) ein im Betrieb sich teilweise in der Flüssigkeitsphase und teilweise in der Dampfphase befindliches Arbeitsmedium (29) vorhanden ist, dessen Dampfdruck im praktisch möglichen Schwankungsbereieh zur Intensität der von dem betreffenden Behälter (27,28; 33) von den Reflektoren (1-5) empfangenen Sonnenstrahlung praktisch linear ist, wobei die beiden Arbeits-mediumdrücke untereinander in entgegengesetztem Sinne auf den Verstellmechanismus (22) derart wirksam sind, dass ein bei einer Abweichung der Fokussierung am Absorber (30) auftretender Differenzdruck die Stellung des Reflektors (1 —5) für die genannte Abweichung korrigiert.
2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der unmittelbaren Nähe des Absorbers (30) liegenden Behälterenden (27a, 28a) vom Reflektorsystem aus gesehen vor dem Absorber (30) und in dem Lauf der auf den Absorber (30) fokussierten Strahlen liegen.
3. Sonnenkollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Behälter (27,28) über einen Kanal (25,26), in dem sich ein Druckübertragungsmedium (29) befindet, mit dem Verstellmechanismus (22) verbunden ist.
4. Sonnenkollektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (25,26) über einen ebenfalls Druckübertragungsmedium (29) enthaltenden Balgen (23,24) mit dem Verstellmechanismus (22) gekoppelt ist.
5. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1,2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälterinnenwände (27,28; 33) mit einer Kapillarstruktur (40) zum Befördern von flüssigem Arbeitsmedium (29) versehen ist.
6. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1,2,3,4 oder 5 mit mehreren Reflektoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenoberflächen der den Reflektoren zugewandten Behälterwände (33) miteiner schwarzen Schicht (34) mit einem Absorptionskoeffizienten für Sonnenstrahlung a > 0,9 versehen sind.
7. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1,2,3,4,5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenoberflächen (33a) der von dem Reflektor bzw. den Reflektoren abgewandten Behälterwände (33) reflektierend ausgebildet sind.
8. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1,2,3,4,5,6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter (33) in einer evakuierten transparenten Umhüllung (35) angeordnet sind.
9. Sonnenkollef tor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Reflektor bzw. den Reflektoren (1—5) abgewandte Teil dfr Umhüllung (35) mit einer reflektierenden Schicht (36) versehen ist.
10. Sonnenkolìèktor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (35) auf der Innenseite mit einer lichtdurchlässigen, aber Infrarotstrahlung reflektierenden Schicht (37) versehen ist.