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PATENTANSPRÜCHE
1. Sonnenkollektor, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Flachlinse (1) mit der Wirkung einer Zylinder-Kollektorlinse sowie mehrere nebeneinander im Bereich der Brennfläche parallel zu den Brennlinien der Linse angeordnete längliche Wärmeabsorber (5) umfasst, wobei nur die jeweils durch die Sonnenstrahlung aufgeheizten Wärmeabsorber mit einem Wärmeableitungssystem wärmeübertragungswirksam verbunden sind.
2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Wärmeabsorbern Zwischenräume bestehen, unterhalb derer weitere Wärmeabsorber angebracht sind.
3. Sonnenkollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabsorber auf ihren der Flachlinse zugewandten Oberflächenabschnitten und, gegebenenfalls bei rechteckigem Querschnitt, jeweils auf einem Teil der seitlichen Oberflächenabschnitte der Wärmeabsorber der oberen Reihe sonnenstrahlenabsorbierend sind und dass die restlichen Oberflächenabschnitte der Wärmeabsorber reflektierend, bevorzugt metallisch glänzend, sind.
4. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeabsorber Wärmerohre dienen.
5. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeabsorber von einem Wärmeträger durchströmte Rohre dienen und dass eine Vorrichtung vorhanden ist, welche den getrennten Anschluss der jeweils in der Brennlinie der Flachlinse befindlichen Wärmeabsorberrohre an ein Wärmeträger-Zu- oder Abflussystem ermöglicht.
Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor mit konzentrierender Wirkung.
Als Sonnenkollektoren sind Flach- und Hohlspiegelkollektoren bekannt. Erstere bestehen aus nebeneinander angeordneten, von einer Wärmeträgerflüssigkeit durchflossenen, schwarzen Rohren, die der Sonnenstrahlung ausgesetzt werden. Zur Verminderung von Wärmeverlusten befinden sie sich in der Regel in einem durch Glasplatten abgedeckten und gegen die Unterlage thermisch isolierten flachen Kasten.
Der Hohlspiegelkollektor besteht aus einem halbzylinderförmigen Hohlspiegel, in dessen Brennlinie der rohrförmige Wärmeabsorber angebracht ist. Der Hohlspiegel muss durch einen mechanischen Antrieb ständig der Sonne nachgeführt werden. Mit dem Hohlspiegelkollektor lassen sich höhere Temperaturen erzielen. Der mechanische Antrieb für jedes einzelne Element macht diese Vorrichtung jedoch sehr aufwendig und störanfällig und bei bedecktem Himmel ist er unbrauchbar.
Der erfindungsgemässe Kollektor kann die Vorteile beider Systeme vereinen. Er kann bei freier Sonnenstrahlung die Erzeugung hoher Temperaturen ermöglichen, andererseits aber auch bei bedecktem Himmel denselben Wirkungsgrad wie ein Flachkollektor besitzen. Vorzugsweise ist er so konzipiert, dass er keiner mechanischen Nachführung bedarf und in der Herstellung kaum aufwendiger als ein Flachkollektor ist.
Bei dem erfindungsgemässen Sonnenkollektor wird die Sonnenstrahlung durch eine Flachlinse mit der Wirkung einer Zylinder-Kollektorlinse auf eine Brennlinie gebündelt, die mit sich änderndem Sonnenstand über die Brennfläche wandert. Im Bereich der Brennfläche sind parallel zu den Brennlinien nebeneinander mehrere längsförmige Wärmeabsorber angebracht, von denen sich jeweils ein bis zwei im Bereich des Brennstrahls befinden und voll aufgeheizt werden. Um eine möglichst hohe Temperatur zu erhalten, werden nur die jeweils aufgeheizten Absorber mit dem Wärmeableitungssystem wärmeübertragungswirksam verbunden, während die übrigen stillgelegt sind. Die den voll aufgeheizten Absorbern benachbarten Absorber, die eine geringere Aufheizung erfahren, können gegebenenfalls an einen Vorheizkreislauf angeschlossen werden.
Bei bedecktem Himmel erhalten alle Absorber dieselbe Strahlungsmenge und können wie bei einem Flachkollektor zur Erzeugung von Wärme bei mässiger Temperatur dienen.
Im folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch den Sonnenkollektor,
Fig. 2 einen Querschnitt durch drei Wärmeabsorber mit rechteckigem Querschnitt,
Fig. 3 eine Aufsicht auf ein Bündel von aus Wärmerohren bestehenden Wärmeabsorbern und
Fig. 4 eine schematische Darstellung von drei Gruppen zu je fünf Wärmeabsorbern mit den Zu- und Abflussleitungen und Ventilen für den Wärmeträger.
Ein Konstruktionsbeispiel ist in Figur 1 dargestellt. Sie zeigt das Schnittbild quer zur Zylinderachse der Flachlinse.
Die Hinweiszahlen bedeuten: 1,2 und 3 = drei nebeneinander angebrachte
Flachlinsen
4 = Brennfläche dieser Flachlinsen
5 = obere Reihe von Wärmeabsorbern
6 = untere Reihe von Wärmeabsorbern
7 = thermische Isolation
8 = Boden des Kollektors
9 = eine Seitenwand des Kollektors
Die von oben einfallenden Sonnenstrahlen 10 werden durch die Flachlinsen 1,2 und 3 gebündelt und fallen auf die in der Brennfläche 4 angebrachten Wärmeabsorber 5. Die durch deren Zwischenräume hindurchtretende Strahlung wird von den darunter befindlichen Absorbern 6 aufgefangen. Das Innere des Sonnenkollektors kann zur besseren Isolation evakuiert oder mit einem wärmeisolierenden Gas gefüllt sein.
Zwecks Erhöhung der mechanischen Stabilität oder Verbesserung der Fokussierung und Verringerung der Reflexion bei flacher Einstrahlung können die Flachlinsen konvex oder konkav gekrümmt sein. Sie können auch, z.B.
durch eine quer zur Zylinderachse verlaufende prismatische Profilierung, eine zusätzliche Beugungswirkung aufweisen.
Die optimale Form kann ohne erfinderisches Zutun durch Computerberechnung ermittelt werden. Da an die optischen Qualitäten der Flachlinsen keine hohen Ansprüche gestellt werden, lassen sich diese ohne grossen Aufwand auf den gebräuchlichen Flachglas-, Extrusions- oder Spritzgussmaschinen herstellen.
Als Wärmeabsorber können Wärmerohre oder von einem Wärmeträger durchströmte Leitungsrohre dienen. Sie besitzen eine Oberfläche, welche die Sonnenstrahlung absorbiert, was im allgemeinen durch eine Schwarzfärbung erreicht wird.
Wärmerohre sind verschlossene Rohre, die eine verdampfbare Flüssigkeit im Gleichgewicht mit deren Dampf enthalten. Sie besitzen eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit. Ein Konstruktionsbeispiel mit Wärmerohren ist in Figur 3 schematisch als Ansicht von oben dargestellt, wobei die Flachlinsen weggelassen sind. Die parallel angeordneten Wärmerohre 11, welche den Wärmeabsorbern 5 in Abbildung 1 ent
sprechen, enden mit ihren höher liegenden Enden 12 in der Wärmeaustauscherkammer 13, die von 14 nach 15 von einem Wärmeträger durchströmt wird, welcher die Wärme an ihren Verbrauchsort oder in einen Speicher transportiert. Da Wärmerohre, wenn nicht besondere Massnahmen für die Rückführung der kondensierten Flüssigkeit ergriffen sind, Wärme nur von einer tiefer liegenden Stelle zu einer höheren transportieren, ist bei dieser Anordnung automatisch die Forderung erfüllt, dass nur die jeweils aufgeheizten Wärmeabsorber wärmeübertragungswirksam mit dem Wärmeableitungssystem verbunden sind.
Bei Verwendung von wärmeträgerdurchströmten Leitungsrohren kann diese Forderung durch zusätzliche Ventile erfüllt werden. In einer Batterie von Kollektoren können die korrespondierenden Absorberrohre unter verschiedenen Flachlinsen parallel oder hintereinander an gemeinsame Leitungen angeschlossen sein, die mit jeweils einem Ventil mit den Zu- und Ableitungen verbunden sind. In Figur 4 ist schematisch eine Batterie von 3 Linseneinheiten mit je fünf Wärmeabsorberrohren 21 bis 25 dargestellt. Die gemeinsamen Leitungen sind über die Ventile 31 bis 35 mit der kalten Zuleitung 16 und über die Ventile 41 bis 45 mit der heissen Ableitung 17 verbunden. Sind nun z.B. die Rohre 23 aufgeheizt, so werden die Ventile 33 und 43 geöffnet.
Zusätzlich können auch Zu- und Ableitungen 18 und 19 für warmen Wärmeträger angebracht sein, die über die Ventile 51 bis 55 bzw. 61 bis 65 mit den gemeinsamen Leitungen verbunden sind. Die Trennung in einen heissen und einen warmen Wärmeträgerstrom erlaubt optimalere Betriebsbedingungen. Werden z.B.
die Rohre 23 und 24 gleichzeitig, das Rohr 23 jedoch stärker vom Brennstrahl getroffen, so lässt man den kalten Wärmeträger über die offenen Ventile 34 und 64 durch die Absorberrohre 24 und den vorgeheizten Wärmeträger über die offenen Ventile 53 und 43 durch die Absorberrohre 23 fliessen. Die Leitungen 18 und 19 können hierbei miteinander oder mit einem Vorspeicher verbunden sein. Bei bedecktem Himmel, wenn alle Rohre gleichmässig aufgeheizt sind, werden alle Ventile 31 bis 35 und 61 bis 65 geöffnet. Die Steuerung der Ventile kann vorprogrammiert oder aufgrund der Temperaturen in den einzelnen Leitungen erfolgen.
Der Verstärkungsfaktor des Sonnenkollektors bei direkter Sonnenstrahlung ergibt sich aus dem Verhältnis
F = Einstrahlungsfläche
Abstrahlungsfläche
Die Einstrahlungsfläche ist gleich der Linsenfläche. Die Abstrahlungsfläche entspricht dem abstrahlenden Oberflächenanteil der heissen Absorber. Da nur die absorbierende Oberfläche abstrahlt, ist es zweckmässig, diese so klein als möglich zu machen. In Abbildung 2 sind die geometrischen Verhältnisse bei rechteckigem Absorber-Querschnitt dargestellt. Es ist am günstigsten, wenn nur die der Flachlinse zugewandten Oberflächen sonnenstrahlenabsorbierend sind, sowie, um auch bei flachem Strahleneinfall eine vollständige Absorption zu erhalten, auch die oberen Teile der Seitenwände der oberen Absorberreihe 5 bis auf die Höhe a.
Die Höhe a errechnet man aus der Gleichung a = b c/d. Die restlichen Oberflächen sollten strahlenreflektierend, am besten metallisch glänzend, sein. In dem dargestellten Beispiel beträgt der Verstärkungsfaktor
Breite der Linse F=
Absorberrohrbreite s + 2 a
Errechnet man aus dem Stefan-Boltzmannschen Gesetz die theoretischen Höchsttemperaturen für eine Sonnenstrahlung von z.B. 400 Watt/m2, entsprechend etwa 50% der maximalen Sommerstrahlung, so erhält man folgende Werte: Verstärkungsfaktor 1 1,5 2 3 4 6 8 Maximaltemperatur"C 16 47 71 107 136 180 213
Der Verstärkungsfaktor 1 entspricht den Verhältnissen eines Flachkollektors.
Wie diese Zahlen zeigen, bewirkt schon ein niedriger Verstärkungsfaktor eine wesentliche Temperaturerhöhung, die für die Nutzung der Sonnenenergie unter winterlichen Verhältnissen von entscheidender Bedeutung sein kann.
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PATENT CLAIMS
1. Solar collector, characterized in that it comprises a flat lens (1) with the effect of a cylinder collector lens and a plurality of elongate heat absorbers (5) arranged next to one another in the area of the focal surface parallel to the focal lines of the lens, only those which are each heated by the solar radiation Heat absorbers are connected to a heat dissipation system for heat transfer.
2. Solar collector according to claim 1, characterized in that there are spaces between the heat absorbers, below which further heat absorbers are attached.
3. Solar collector according to claim 1 or 2, characterized in that the heat absorbers on their surface sections facing the flat lens and, if necessary with a rectangular cross section, in each case on a part of the lateral surface sections of the heat absorbers in the upper row are sun-ray absorbing and that the remaining surface sections of the heat absorbers are reflective , preferably metallic, are.
4. Solar collector according to one of claims 1, 2 or 3, characterized in that heat pipes serve as heat absorbers.
5. Solar collector according to one of claims 1, 2 or 3, characterized in that tubes serve as heat absorbers and a device is present which enables the separate connection of the heat absorber tubes located in each case in the focal line of the flat lens to a heat transfer medium - or drainage system enabled.
The invention relates to a solar collector with a concentrating effect.
Flat and concave mirror collectors are known as solar collectors. The former consist of side-by-side, black pipes through which a heat transfer fluid flows and which are exposed to solar radiation. To reduce heat loss, they are usually located in a flat box covered by glass plates and thermally insulated from the base.
The concave mirror collector consists of a semi-cylindrical concave mirror, in the focal line of which the tubular heat absorber is attached. The concave mirror must be constantly tracked by a mechanical drive to the sun. With the concave mirror collector, higher temperatures can be achieved. The mechanical drive for each individual element makes this device very complex and prone to failure and it is unusable when the sky is overcast.
The collector according to the invention can combine the advantages of both systems. It can enable high temperatures to be generated with free solar radiation, but it can also have the same efficiency as a flat plate collector when the sky is overcast. It is preferably designed in such a way that it does not require any mechanical tracking and is hardly more complex to manufacture than a flat plate collector.
In the solar collector according to the invention, the solar radiation is focused by a flat lens with the effect of a cylinder collector lens on a focal line, which moves over the focal surface as the position of the sun changes. In the area of the focal surface, a number of longitudinal heat absorbers are arranged next to one another parallel to the focal lines, one or two of which are each in the area of the focal jet and are fully heated. In order to maintain the highest possible temperature, only the respectively heated absorbers are connected to the heat dissipation system in a heat-transferring manner, while the rest are shut down. The absorbers adjacent to the fully heated absorbers, which experience less heating, can optionally be connected to a preheating circuit.
When the sky is overcast, all absorbers receive the same amount of radiation and can be used to generate heat at a moderate temperature as with a flat plate collector.
Exemplary embodiments of the invention are described in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
1 shows a cross section through the solar collector,
2 shows a cross section through three heat absorbers with a rectangular cross section,
Fig. 3 is a plan view of a bundle of heat absorbers consisting of heat pipes and
Fig. 4 is a schematic representation of three groups of five heat absorbers each with the inflow and outflow lines and valves for the heat transfer medium.
A construction example is shown in Figure 1. It shows the sectional view transverse to the cylinder axis of the flat lens.
The reference numbers mean: 1,2 and 3 = three attached side by side
Flat lenses
4 = focal surface of these flat lenses
5 = top row of heat absorbers
6 = lower row of heat absorbers
7 = thermal insulation
8 = bottom of the collector
9 = one side wall of the collector
The sun rays 10 incident from above are bundled by the flat lenses 1, 2 and 3 and fall on the heat absorbers 5 mounted in the focal surface 4. The radiation passing through their interspaces is collected by the absorbers 6 located underneath. The inside of the solar collector can be evacuated for better insulation or filled with a heat-insulating gas.
The flat lenses can be convex or concave in order to increase the mechanical stability or improve the focusing and reduce the reflection in the case of flat radiation. You can also, e.g.
have an additional diffraction effect due to a prismatic profile running transverse to the cylinder axis.
The optimal shape can be determined by computer calculation without inventive step. Since there are no high demands on the optical qualities of the flat lenses, they can be produced on the usual flat glass, extrusion or injection molding machines with little effort.
Heat pipes or line pipes through which a heat carrier flows can serve as heat absorbers. They have a surface that absorbs solar radiation, which is generally achieved by blackening.
Heat pipes are closed pipes that contain an evaporable liquid in equilibrium with its vapor. They have a very high thermal conductivity. A design example with heat pipes is shown schematically in FIG. 3 as a view from above, the flat lenses being omitted. The parallel heat pipes 11, which correspond to the heat absorbers 5 in Figure 1
speak, end with their higher ends 12 in the heat exchanger chamber 13, which is flowed through from 14 to 15 by a heat transfer medium which transports the heat to its place of consumption or into a storage. Since heat pipes, unless special measures are taken to return the condensed liquid, only transport heat from a lower point to a higher one, this arrangement automatically fulfills the requirement that only the respectively heated heat absorbers are connected to the heat dissipation system in a heat-transferring manner.
When using pipes with heat flow through them, this requirement can be met by additional valves. In a battery of collectors, the corresponding absorber tubes can be connected under different flat lenses in parallel or in series to common lines, each of which is connected to the inlet and outlet lines by a valve. FIG. 4 schematically shows a battery of 3 lens units, each with five heat absorber tubes 21 to 25. The common lines are connected to the cold supply line 16 via the valves 31 to 35 and to the hot discharge line 17 via the valves 41 to 45. Are now e.g. the tubes 23 are heated, the valves 33 and 43 are opened.
In addition, supply and discharge lines 18 and 19 for warm heat transfer media can also be attached, which are connected to the common lines via valves 51 to 55 and 61 to 65, respectively. The separation into a hot and a warm heat transfer stream allows more optimal operating conditions. E.g.
the tubes 23 and 24 at the same time, but the tube 23 is hit more by the focal jet, so the cold heat transfer medium flows through the open valves 34 and 64 through the absorber tubes 24 and the preheated heat transfer fluid through the open valves 53 and 43 through the absorber tubes 23. The lines 18 and 19 can be connected to one another or to a pre-memory. When the sky is overcast and all pipes are evenly heated, all valves 31 to 35 and 61 to 65 are opened. The control of the valves can be preprogrammed or based on the temperatures in the individual lines.
The gain factor of the solar collector in direct sunlight results from the ratio
F = irradiation area
Radiation area
The irradiation area is equal to the lens area. The radiation area corresponds to the radiating surface portion of the hot absorbers. Since only the absorbent surface emits, it is advisable to make it as small as possible. Figure 2 shows the geometric relationships for a rectangular absorber cross-section. It is best if only the surfaces facing the flat lens are sun-ray absorbing, and, in order to obtain complete absorption even when the rays are flat, also the upper parts of the side walls of the upper row of absorbers 5 up to the height a.
The height a is calculated from the equation a = b c / d. The rest of the surfaces should be radiation-reflecting, ideally metallic shiny. In the example shown, the gain factor is
Width of the lens F =
Absorber tube width s + 2 a
If one calculates the theoretical maximum temperatures for solar radiation of e.g. 400 watts / m2, corresponding to about 50% of the maximum summer radiation, the following values are obtained: amplification factor 1 1.5 2 3 4 6 8 maximum temperature "C 16 47 71 107 136 180 213
The gain factor 1 corresponds to the conditions of a flat plate collector.
As these figures show, even a low amplification factor causes a significant increase in temperature, which can be of crucial importance for the use of solar energy in winter conditions.