CH697865A2 - Sonnenkollektor. - Google Patents

Abstract

Sonnenkollektor (1) mit einem für eine Aufstellung in Nord-Süd-Ausrichtung vorgesehenen länglichen Wärmestrahlungs-Aufnehmer (2) und mit einer zur Aufstellung an zumindest einer Längsseite des Aufnehmers vorgesehenen Reflektoranordnung (6) mit entsprechend dem Sonnenstand gesondert schwenkbar angeordneten, hohlspiegelartig ausgebildeten, länglichen Reflektorelementen (5, 5´) welche jeweils im Betriebszustand längs einer gekrümmten Fläche (8, 8´) angeordnet sind und so einen angenäherten Parabolrinnen-Reflektor definieren.

Description

  [0001] Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor mit einem für eine Aufstellung in Nord-Süd-Ausrichtung vorgesehenen länglichen Wärmestrahlungs-Aufnehmer und mit einer zur Aufstellung an zumindest einer Längsseite des Aufnehmers vorgesehenen Reflektoranordnung mit entsprechend dem Sonnenstand gesondert schwenkbar angeordneten, hohlspiegelartig ausgebildeten, länglichen Reflektorelementen.

[0002] Ein Sonnenkollektor dieser Art ist aus der US 2002/0 075 579 A1 bekannt. Die konkaven Reflektorelemente sind in einem Traggestell in einer gestaffelten, linearen Anordnung hintereinander einem Wärmestrahlungs-Aufnehmer, insbesondere einer länglichen Fotovoltaik-Anlage zugeordnet.

   Die Befestigung der Reflektorelemente im Traggestell erfolgt mittels Konsolen, wobei primär eine feste Position vorgesehen, jedoch ganz allgemein auch eine Schwenkbarkeit relativ zum Aufnehmer und zueinander erwähnt wird. Nichtsdestoweniger ist die Effizienz dieses Sonnenkollektors im Hinblick auf die relativ eng gestaffelte lineare Anordnung der Reflektorelemente verhältnismässig gering.

[0003] Ein ähnlicher Sonnenkollektor ist aus der EP 1 754 942 A1 bekannt. Dieser bekannte Sonnenkollektor weist im montierten Zustand einen aus einem Absorberrohr bestehenden Wärmestrahlungs-Aufnehmer, dort Receiver genannt, auf, durch den ein als Wärmespeicher wirkendes Wärmemedium strömt. Beidseits dieses Absorberrohrs sind an einem ebenen Spiegel-Tragwerk Reflektorelemente angebracht, die hier jeweils plan ausgebildet sind, und die schwenkbar am Spiegeltragwerk angeordnet sind.

   Zum Verschwenken der Reflektorelemente oder Spiegel ist eine Schubstange vorgesehen, die mit allen Reflektorelementen (Spiegeln) auf der jeweiligen Seite der Spiegelanordnung verbunden ist, um die Spiegel gemeinsam zwecks Sonnen-Nachführung zu verschwenken. Dabei ergibt sich jedoch unabhängig vom Abstand des jeweiligen Reflektorelements von der Vertikalebene durch das Absorberrohr ein und dieselbe Schwenklage für alle Reflektorelemente, so dass die Wärmestrahlung nicht optimal auf das Absorberrohr gerichtet werden kann, abgesehen von der Ausbildung der Reflektorelemente als plane Spiegel, die ebenfalls zu einem verminderten Wirkungsgrad bei der Reflexion der Wärmestrahlung zum Absorberrohr oder allgemein Wärmestrahlungs-Aufnehmer führt.

   Erschwert wird dieser Nachteil noch dadurch, dass ein Absorberrohr mit vergleichsweiser geringer Dimension vorhanden ist, welches an sich eine möglichst gute Fokussierung der Wärmestrahlung erforderlich machen würde.

[0004] Ein weiterer Sonnenkollektor dieser Bauart, mit einer ebenen Anordnung von Reflektorelementen, mit den angeführten Nachteilen, ist in der WO 98/28 579 A beschrieben.

[0005] Ein vergleichbarer Sonnenkollektor mit einzelnen Reflektorelementen ist weiters in der DE 3 119 683 A1 geoffenbart, wobei auch hier eine gemeinsame Drehachse zur Nachführung der Spiegelflächen zur Sonne vorgesehen ist, und wobei die Spiegelflächen plan sind.

   Damit ergeben sich aber auch hier die vorstehend erwähnten Nachteile, auch wenn die Spiegelflächen gemäss einer geneigten Ebene auf jeder Seite der Anordnung vorgesehen sind.

[0006] Aus der US 6 363 928 B1 und der DE 19 952 276 A1 sind Sonnenkollektor-Anordnungen bekannt, die zwei Spiegelschalen-Reflektoren aufweisen, welche das Sonnenlicht auf ein Rohr richten, welches von einem Wärmeübertragungs-Medium durchströmt wird. Die Schalen sind parabolförmig ausgebildet und können um eine Achse verschwenkt werden, um die Reflexion der Sonnenstrahlung auf das Rohr zu optimieren. Ein Nachteil dieser bekannten Sonnenkollektor-Anordnungen besteht darin, dass sie nur für kleindimensionierte Ausführungen geeignet sind, da die Spiegelschalen an einem Ständer um eine gemeinsame Schwenkachse verschwenkbar angebracht sind und einer grossdimensionierten Ausbildung hinderlich sind.

   Wünschenswert wären jedoch Grössen der Sonnenkollektoren mit einem Fläche ausmass von z.B. 100 m<2> oder mehr.

[0007] Auch die in der DE 10 2004 037 722 A1 geoffenbarte Spiegelreflex-Solaranlage mit einer Solarplatte, die rechteckig ausgeführt ist, wobei an allen vier Seiten Spiegelplatten schwenkbar angeordnet sind, ist nur für kleine Dimensionen geeignet, wobei hier überdies der Wirkungsgrad im Hinblick auf die nicht optimale Reflexion von Sonnenstrahlung auf die Solarplatte niedrig ist.

[0008] Es ist nun Aufgabe der Erfindung, einen Sonnenkollektor der eingangs angeführten Art vorzuschlagen, der einerseits möglichst einfach konstruiert und montierbar ist,

   und der anderseits einen möglichst guten Wirkungsgrad aufweist und überdies für grossdimensionierte Anlagen geeignet ist.

[0009] Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung einen Sonnenkollektor wie in Anspruch 1 definiert vor. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0010] Mit der erfindungsgemässen Ausbildung wird eine Annäherung an einen parabolischen Gesamt-Reflektor erreicht, wobei nichtsdestoweniger einfache, insbesondere ebene, Reflektorsegmente zu hohlspiegelartig ausgebildeten Reflektorelementen oder -einheiten zusammengefügt werden, welche unabhängig voneinander und damit je nach Abstand vom Wärmestrahlungs-Aufnehmer bzw. einer durch diesen verlaufenden Ebene optimiert für eine maximale Reflexion von Wärmestrahlung zum Aufnehmer verschwenkt werden können.

   Die Reflektorsegmente sind insbesondere streifenförmig, d.h. mit einer im Vergleich zur Breite grossen Länge, ausgebildet, wobei bevorzugt drei, eventuell auch nur zwei oder aber vier oder mehr derartige Reflektorsegmente winklig zu einer festen Einheit miteinander verbunden werden können, um so einen parabolischen Hohlspiegel anzunähern. Weiters wird durch die Anordnung der Reflektorelemente auf jeder Seite des Sonnenkollektors (gegebenenfalls aber auch - bei einer bloss einseitigen Anordnung - nur auf der einen Seite des Wärmestrahlungs-Aufnehmers) eine gesamtparabolische Anordnung angenähert, wodurch wie erwähnt die Sonnenstrahlen-Reflexion zum Wärmestrahlungs-Aufnehmer maximiert werden kann.

[0011] Zur gesonderten Verschwenkung eines jeden Reflektorelements ist jedem Reflektorelement bevorzugt ein eigener Antriebsmotor zugeordnet.

   Die Antriebsmotoren können mit einer insbesondere gemeinsamen Steuereinheit zur Nachführung der Reflektorelemente entsprechend dem jahres- und tageszeitlichen Sonnenstand verbunden sein. Die bevorzugt gemeinsame Steuereinheit kann dabei an sich wie bekannt mit Sensoren ausgebildet sein, die den Stand der Sonne erfassen, um so die Antriebsmotoren entsprechend anzusteuern und dadurch die Reflektorelemente nachzuführen.

   Es ist aber im Hinblick auf eine einfache Ausbildung auch möglich, die gemeinsame Steuereinheit mit einem fest vorgegebenen Steuerprogramm, mit Uhr und Kalender, auszubilden, um so die Antriebsmotoren nach fest vorgegebenen Abläufen, entsprechend der Jahreszeit sowie der jeweiligen Tageszeit, anzusteuern.

[0012] Der Wärmestrahlungs-Aufnehmer ist mit Vorteil in Form eines rechteckigen, im Betrieb aufrechten, plattenförmigen Wärmetauschers ausgebildet, wobei die "Platte" im Wesentlichen gleich lang wie die Reflektorsegmente sein kann.

   Weiters ist es besonders vorteilhaft, wenn der Wärmestrahlungs-Aufnehmer ein schwarzer Wärmetauscher ist, um so beispielsweise Wasser auf hohe Temperaturen aufzuheizen.

[0013] Es sei hier erwähnt, dass aus der AT 352 354 B ein flach ausgebildetes Metall-Rohr als Wärmeaufnehmer, allerdings bei einem festen Kollektor in Kleinbauweise, bekannt ist.

[0014] Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert.

[0015] In der Zeichnung zeigt die einzige Zeichnungsfigur eine schematische Ansicht einer Sonnenkollektor-Anordnung gemäss der Erfindung.

[0016] Der in der Zeichnung dargestellte Sonnenkollektor 1 weist einen in der Betriebsstellung vertikal angeordneten Wärmestrahlungs-Aufnehmer 2 auf,

   der als Schwarzkörper-Wärmetauscher mit einer Rohrschlange und mit Wärmetauschermedium-Anschlüssen 3, 4 ausgebildet ist. Als Medium wird beispielsweise einfach Wasser verwendet, das für den Zu- bzw. Ablauf 3 bzw. 4 mit üblichen Nutzanlagen kommuniziert.

[0017] Beidseits des Wärmestrahlungs-Aufnehmers 2 sind Reflektorelemente 5 bzw. 5 ¾ vorgesehen, die insgesamt eine Reflektoranordnung 6 beidseits des Aufnehmers 2 definieren und je durch eine starre, hohlspiegelartige Einheit gebildet sind. Im Einzelnen weisen diese Reflektorelemente 5 bzw. 5 ¾ mehrere, zum Beispiel drei (siehe die Reflektorelemente 5) oder aber auch vier (siehe die äusseren Reflektorelemente 5 ¾) ebene, streifenförmige Reflektorsegmente 7 auf, die in jedem Reflektorelement 5 bzw. 5 ¾ starr und winklig miteinander verbunden sind, um so einen parabolspiegelartigen Hohlspiegel anzunähern.

   Diese als starre Einheiten ausgeführten, aus ebenen Reflektorsegmenten 7 gebildeten Reflektorelemente 5 bzw. 5 ¾ sind weiters zur Optimierung der Strahlungsreflexion in Richtung Aufnehmer 2 im montierten Zustand (Betriebszustand) entsprechend einer bevorzugt parabolisch gekrümmten, nur schematisch mit einer Projektionslinie angedeuteten Fläche 8 bzw. 8 ¾ angeordnet, wobei im Einzelnen die Reflektorelemente 5 bzw. 5 ¾ mit ihren Mitten die Schwenkachsen 9 bzw. 9 ¾ definieren, entsprechend diesen Flächen 8 bzw. 8 ¾ angeordnet sind.

[0018] In Fluchtung zu den Schwenkachsen 9, 9 ¾ greifen die Ausgangs-Drehwellen 10 von Motoren 11 an den Reflektorelementen 5 bzw. 5 ¾ an. Die Reflektorelemente 5 bzw. 5 ¾ sind dabei mit ihren Schwenkachsen 9 bzw. 9 ¾ in einem nicht näher dargestellten Traggestell, das schematisch durch die Flächen bzw.

   Kurven 8 bzw. 8 ¾ in der Zeichnung veranschaulicht wird, auf an sich herkömmliche Art schwenkbar gelagert. Das im Übrigen nicht näher dargestellte Traggestell kann weiters auch die den einzelnen Reflektorelementen 5 bzw. 5 ¾ zugeordneten Motoren 11 tragen.

[0019] Die Motoren 11 sind alle an eine gemeinsame Steuereinheit 12 angeschlossen.

   Diese gemeinsame Steuereinheit 12 enthält der Einfachheit halber ein fest vorgegebenes Steuerprogramm zum Verschwenken der Reflektorelemente 5, 5 ¾ abhängig von der jeweiligen Tageszeit sowie auch Jahreszeit, wobei die Motoren 11 für die äusseren Reflektorelemente 5 ¾ derart angesteuert werden, dass sie im Tagesverlauf eine stärkere Schwenkbewegung ausführen als die innenliegenden Reflektorelemente 5, um so auch bei grösserem Abstand eine optimale Reflexion der sie treffenden Sonnenstrahlung zum Wärmestrahlungs-Aufnehmer 2 zu gewährleisten.

[0020] Zwischen den Reflektorelementen 5, 5 ¾ sind Spalten vorhanden, so dass eine Luftzirkulation möglich ist.

[0021] Die Reflektorsegmente 7 haben die selbe Länge L wie der Aufnehmer 2 (in Nord-Süd-Richtung), um so einen optimalen Wirkungsgrad auch hinsichtlich der Strahlungsreflexion sicherzustellen, d.h.

   ohne zu wenig Wärmestrahlung zum Aufnehmer 2 gelangen zu lassen, oder ohne Wärmestrahlung am Aufnehmer 2 vorbei zu reflektieren.

[0022] Selbstverständlich sind die jeweils zwei Reflektorelemente 5, 5 ¾ auf jeder Seite des Aufnehmers 2 zwecks Bildung der Reflektoranordnung 6 nur beispielhaft zu verstehen, und es können auch mehr als jeweils zwei solcher Reflektorelemente vorgesehen werden, je nach Grösse der Anlage und nach Grösse des Aufnehmers 2. Die Reflektorsegmente 7 können als Glasspiegel ausgeführt sein, und der plattenförmige Aufnehmer 2 kann als Rohr-Wärmetauscher mit einer nicht näher dargestellten Rohrschlange innerhalb des Plattenkörpers sein. Die Motoren 11 sind zweckmässig durch elektrische Schrittmotoren ausgebildet, theoretisch denkbar sind jedoch auch andere Arten von Motoren, wie insbesondere auch Hydraulikmotoren.

Claims (10)

1. Sonnenkollektor (1) mit einem für eine Aufstellung in Nord-Süd-Ausrichtung vorgesehenen länglichen Wärmestrahlungs-Aufnehmer (2) und mit einer zur Aufstellung an zumindest einer Längsseite des Aufnehmers vorgesehenen Reflektoranordnung (6) mit entsprechend dem Sonnenstand gesondert schwenkbar angeordneten, hohlspiegelartig ausgebildeten, länglichen Reflektorelementen (5, 5 ¾), dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorelemente (5, 5 ¾) im Betriebszustand längs einer gekrümmten Fläche (8, 8 ¾) angeordnet sind und so einen angenäherten Parabolrinnen-Reflektor definieren.

2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Reflektorelement (5, 5 ¾) aus zumindest zwei winklig miteinander fest verbundenen Reflektorsegmenten (7) gebildet ist.

3. Sonnenkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Reflektorelement (5, 5 ¾) zumindest drei ebene Reflektorsegmente (7) aufweist.

4. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorelemente (5, 5 ¾) unabhängig voneinander entsprechend dem Sonnenstand schwenkbar sind.

5. Sonnenkollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Reflektorelement (5, 5 ¾) ein eigener Antriebsmotor (11) zugeordnet ist.

6. Sonnenkollektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmotoren (11) mit einer Steuereinheit (12) zur Nachführung der Reflektorelemente (5, 5 ¾) entsprechend dem jahres- und tageszeitlichen Sonnenstand verbunden sind.

7. Sonnenkollektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) als gemeinsame Steuereinheit mit vorgegebenem festen Steuerprogramm und Uhr ausgebildet ist.

8. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrahlungs-Aufnehmer (2) in Form eines rechteckigen, im Betrieb aufrecht angeordneten, plattenförmigen Wärmetauschers ausgebildet ist.

9. Sonnenkollektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnehmer (2) und die Reflektorsegmente (7) im Wesentlichen gleich lang sind.

10. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrahlungs-Aufnehmer (2) ein Schwarzkörper-Wärmetauscher ist.