DE10001081A1 - Sonnenkollektor mit Sonnenstandsnachführung für Langzeitspeicher und Meerwasserentsalzung - Google Patents

Abstract

Der Sonnenkollektor weist als Grundkörper (1) für ein Fluid ein dreilagiges Doppelstegprofil auf, bei dem die äußeren Schichten der Wärmeisolation dienen, die mittlere die Fluid führende Schicht ist und der Kollektor mindestens an einer Stelle direkt oder indirekt durch mindestens einen pneumatischen Muskel (22) angelenkt ist und durch Verkürzung oder Verlängerung des Muskels dem Sonnenstand nachgeführt wird resp. in eine Ausgangslage gebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen leichten, beliebig ablängbaren Sonnenkollektor zur Warmwasser­ erzeugung mit einer Vorrichtung zur Sonnenstandsnachführung nach dem Oberbegriff der An­ sprüche 1 und 8.

Gegenwärtig sind Kollektoren als Flächen- und Röhrenkollektoren unterschiedlichster Aus­ führungen Stand der Technik. In der WO 9607857 wird ein Kunststoffkollektor beschrieben, der sowohl ein geringes Flächengewicht als auch Gestehungskosten besitzt. Allerdings ist er nur drucklos und in einem System mit Entleerungsmöglichkeit zu betreiben.

Insbesondere die Berücksichtigung der Entwicklung von Systemen, welche die Sonnenenergie des Sommers durch thermochemische Prozesse für den Winter nutzbar und speicherbar machen sollen und große Kollektorflächen erfordern, ist pro m² eine möglichst preisgünstige, dem Son­ nenstand nachführbare Kollektoranlage wünschenswert, um die Tageslänge der Sommerzeit möglichst vollständig nutzen zu können. Das bedeutet, daß die notwendige Kollektorfläche dadurch wieder verkleinert werden kann und, daß es ein möglichst leichter und frei aufstellbarer Kollektor sein sollte. Ein solcher Kollektor für Langzeitspeicher kann auch über sekundär nutz­ baren Strukturen wie Hecken, Mauern und Dachfirsten angebracht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Kollektor und eine Vorrichtung der genannten Art anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kollektor mit den Merkma­ len der Ansprüche 1 und 8 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind im wesentlichen seine preisgünstige Herstel­ lung, Leichtigkeit, geringe Stärke und die quasi beliebige Länge. Die Leichtigkeit bringt bei einer Freiaufstellung Vorteile bei einer Aufständerung und die geringe Stärke einen solchen im Hinblick auf Windlast, wenn der Kollektor mit der Schmalseite in den Wind gestellt werden kann.

Dem Sonnenstand nachführbare Großflächensysteme sind durch die entsprechende Vorrichtung leicht zu realisieren und insbesondere auch für die Meerwasserentsalzung nach dem Verdamp­ fungsprinzip geeignet.

Da der Kollektorkörper aus Kunststoff besteht, ergibt sich nachteilig die Gefahr der Überhit­ zung. Bei der Verwendung mit den erwähnten Langzeitspeichersystemen besteht das Problem jedoch nur bei einem Festeinbau und dem Ausfall einer Umwälzpumpe. Er muß dann ebenfalls mit einer Entleerungsmöglichkeit betrieben werden. Bei einer Freiaufstellung kann der Kollek­ tor aus der Sonneneinstrahlung gedreht werden.

Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, der Beschreibung oder Unteransprüchen.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen dreilagigen Doppelsteg-Grundkörper mit Herstellvarianten

Fig. 2 ein 1. Anschlußteile für den Verschluß der Kopfseiten

Fig. 3 ein 2. Anschlußteil mit Bohrung für die Fluidzu- und abführung

Fig. 4 eine Freiaufstellung mit Vorrichtung zur Sonnenstandsnachführung

Fig. 5 einen Kollektor mit Abschlüssen

Fig. 6 eine Vorrichtungsvariante zur Sonnenstandsnachführung

Fig. 7 eine bevorzugte Variante zur Sonnenstandsnachführung

Fig. 8 eine Ausführung für mehrere Kollektoren ähnlich wie Fig. 7

Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel für eine schwimmende Anlage

Die Erfindung beruht in einer bevorzugten Ausführung auf einem zweifarbigem schwarzen/­ durchsichtigem, extrudiertem dreilagigem Doppelstegprofil wie es Fig. 1, 1 zeigt. Die einzelnen Kammern (2), der mittleren, das Fluid führenden Ebene sollen dabei ein Verhältnis der Höhe zur Breite von kleiner als 1 besitzen. Die jeweils in der Breite außen liegenden Kammern (3) des Profils können aus Gründen der Stabilität massiv ausgeführt sein und auch einen anderen Quer­ schnitt besitzen.

In einer bevorzugter Ausführung zeigt Fig. 1a ein einstückiges, zweifarbiges Schnittprofil. Ein klares Oberteil (4) läßt das Sonnenlicht zur schwarzen, wäremeabsorbierenden Schicht (5) ge­ langen. Der Übergang von klar zu schwarz (6a) kann jedoch auch in die Mitte des Gesamtprofils (6b) verlegt werden.

In einer alternativen Ausführung (Fig. 1b) werden zwei Profile getrennt extrudiert. Das äußere Profil besitzt dabei unterbrochene Stege (7) in die ein schwarzes Doppelstegprofil eingeschoben wird. Fig. 1c ist eine weitere Auflösung des Profils 1b in ein halbes Profil, das jeweils unten und oben angebracht (verschweißt/verklebt) wird. Die Fig. 1b und 1c geben alternative Herstel­ lungen zu 1a wieder. Insgesamt dienen die äußeren Schichten zur Wärmeisolation und die Stege (7) zur mechanischen Stabilisierung der mittleren Schicht. Dabei ist die Stärke der Trennschicht (5) wesentlich dünner zu wählen als die äußeren, der Sonne zugewandten Wandungen (4), um den Wärmeübergang zur Fluid führenden Lage (2) zu verbessern.

Die Fig. 1d und 1e entsprechen den Fig. 1a und 1c. Bei 1e hält ein weiteres Profil (8) die Lagen zusammen. Die mittlere, Fluid führende Lage ist bei 1d und 1e so ausgeführt, daß eine größere Fläche für den Wärmeaustausch zustande kommt. Das Verhältnis von Einstrahlfläche zu Absor­ berfläche läßt sich auf etwa 1 : 3 vergrößern.

In der bevorzugten Ausführung gemäß Fig. 2a, werden die äußeren Profilschichten bis zur Tiefe (9) abgefräst/geschnitten/gesägt und innerhalb dieser Schichten die Stege bis in eine Tiefe (10) entfernt. Der Raum der entfernten Stege wird mit einem Profil Fig. 2b ausgefüllt, das mit seiner dünner Schicht (11) den frei liegenden Teil der mittleren, Fluid führenden Schicht zumindest teilweise überdeckt. Die eingesetzten Profile werden mit dem dreilagigem. Doppelstegprofil gemäß Fig. 3a jeweils bei (12) verschweißt bzw. verklebt. Es ergibt sich eine Kopfsicht nach Fig. 2c. Zur Fluidzufuhr resp. Ableitung wird ein weiteres Profil (Fig. 3, 13) mit einem Lei­ tungsanschluß z. B. bei (14) aufgesetzt und mit dem Gesamtkörper verschweißt/verklebt (Fig. 4, 15). Sinngemäß kann auch für Ausführungen nach Fig. 1b bis 1e vorgegangen werden.

Die Bohrungen für die Zu- und Ableitung des Fluids sollen sich auf dem Kollektor (Fig. 5) diagonal gegenüberstehen, damit das Fluid über alle Kammern gleich lange Wege vorfindet. Es läßt sich somit ein identisches Profil (Fig. 3, 13) verwenden, das bei einem Kollektor jeweils um 180° gedreht auf einer gegenüberliegenden Kopfseite angebracht wird. Zusätzlich kann der Kanal (Fig. 5, 16) zur besseren Verteilung des Fluids asymmetrisch ausgelegt sein und in die Kanäle für das Fluid können ein oder, beabstandet, mehrere feststehende Spiralkörper (17) ein­ gebracht werden, um das Fluid zu verwirbeln und so eine bessere Wärmeabfuhr aus der Wan­ dung (5) zu erreichen.

Die Vorrichtung zur Sonnenstandsnachführung eines oben beschriebenen oder sonstigen Flä­ chenkollektors (1) besteht nach Fig. 6 aus einem Träger (18) mit einer Gleit- oder Kugellage­ rung bei (19) und einer durch sie hindurchführenden, feststehenden Welle (20), die sich zwi­ schen mindestens zwei Stützen (21) erstreckt. Eine Dreh- oder Stellbewegung um die Achse (20) wird mit pneumatischen Muskeln (22) durchgeführt, wie sie z. B. aus der US 4,794,912 und GB 2207702 vorbekannt sind und die hier zueinander invers arbeiten. Beginnend bei einem Startwinkel von z. B. 30° und einem Schwenkwinkel von dann entsprechend 300° wird der Luft­ druck, mit dem der pneumatische Muskel beaufschlagt wird, über ein Proportionalventil nach dem Sonnestand resp. der Uhrzeit kontinuierlich oder in Schritten abgesenkt und dadurch eine Längung des Muskels erzielt bzw. der Druck in dem anderen Muskel erhöht und dieser Muskel dadurch zusammengezogen.

Bei den in Fig. 6 bis 8 gezeigten Anordnungen kann ein Muskel durch ein Federelement (27) oder durch ein, auf der der angelenkten Seite gegenüberliegend Seite angebrachtes Gewicht, ersetzt werden, um die für den Muskel nötige Rückstellkraft aufzubringen.

Die Höhe der Stützen (21) bemißt sich bei der in Fig. 6 dargestellten Anbringung des/der Mus­ kel(n) nach dem Hub (H). Dieser ist jedoch vom Radius (R) der Anlenkung (23) abhängig. Mit größerem (R) kann die Stellgenauigkeit erhöht werden. Die Gesamtlänge eines Muskels beträgt in etwa das 4-fache des Hubes (H). Mit größerem (R) ist zusätzlich auch eine verbesserte Stabi­ lisierung des Kollektors gegen Windlast zu erreichen.

Fig. 7 zeigt eine bevorzugte Muskelanordnung, welche keinen unmittelbaren Einfluß auf die Flöhe der Stützen (21) ausübt. Dabei erfolgt die Anlenkung und damit Verdrehung außen am Kollektor (1) selbst oder mit beliebigem (R) an den Trägern (18) und über Züge (24) und Um­ lenkrollen (25), wobei der Muskel (22) selbst keine Fixierung benötigt.

Nach Fig. 8 können auch zwei oder mehr Kollektoren mit einem (oder zwei) Muskel(n) verstellt werden. Dazu sind weiterleitende Züge (24) in genügendem Abstand von den Umlenkungen (25) mit Verbindungsmitteln (26) zu verbinden. Eine solche Anordnung kann auch für sehr lange Kollektoren - wie rechts in Fig. 8 gezeigt - verwendet werden.

Bei größeren Kollektoranlagen ergibt sich der Reihenabstand (A) der Kollektoren nach Fig. 9 aus dem Winkel α (der nicht kleiner als 30° zu werden braucht) und der Kollektorbreite (B) zu B/sinα.

Für die Betätigung mehrerer Kollektoren in unterschiedlichen Reihen (Fig. 9, 28) ist auch eine Anbringung eines Muskel (22) senkrecht zur Drehachse möglich. Dazu müssen wiederum Züge (24) mit Verbindungsmitteln (26) verbunden werden.

Sehr große Anlagen zur Meerwasserentsalzung nach dem Verdampfungsprinzip können bei seewasserfester Ausführung der Kollektoren auch vorteilhaft auf See errichtet werden, wie dies Fig. 9 ebenfalls zeigt. Die Stützen (21) müssen dann in ihrer Höhe mindestens dem örtlich vor­ kommendem höchsten Wellengang (H) entsprechen. Eine Nivellierung von untereinander fixier­ ten Schwimmkörpern (29) kann durch ihr Befüllen/Entleeren mittels kommunizierender Röhren (30) erfolgen.

Kollektoranlagen der beschriebenen Arten sollte in ihrer Längsrichtung vorzugsweise eine Nord-Süd-Ausrichtung besitzen.

Legende

1

dreilagiges Doppelstegprofil

2

Kammer, Fluid führende Schicht

3

außen liegende Kammer

4

Oberteil läßt das Sonnenlicht zur schwarzen,

5

wäremeabsorbierende Schicht/Trennschicht

6

a,

6

b Übergang von klar zu schwarz

7

Stege

8

Profil

9

Abtragungspunkt

10

Abtragungspunkt

11

Schicht

12

Verschweißung/Verklebung

13

Profil mit Leitungsanschluß

14

Leitungsanschluß

15

Verschweißung/Verklebung

16

Kanal

17

Spiralkörper

18

Träger

19

Gleit- oder Kugellagerung

10

Welle

11

Stütze

22

pneumatischer Muskel

23

Anlenkung

24

Zug

25

Umlenkrolle

26

Verbindungsmittel

27

Federelement

28

Schwimmkörpern

29

kommunizierender Röhren
α Winkel
A Reihenabstand
B Kollektorbreite
H Hub
H1 Wellengang
R Radius

Claims (10)

1. Sonnenkollektor zur Warmwassererzeugung dadurch gekennzeichnet, daß ein vorzugsweise zweifarbiges, dreilagiges Doppelstegprofil (1) verwendet wird, das an seinen Enden mit Formteilen (11, 13) verschlossen wird, die einen Anschluß (14) für die Zu- bzw. Abführung eines Fluids vorsehen und allen Kammern bzw. Abschnitten der mittleren Ebene des dreila­ gigen Profils das Fluid zuführen bzw. abführen.

2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das absorbierende Profil eine vergrößerte Wäremaustauschfläche besitzt.

3. Sonnenkollektor nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß Gesamtprofil aus Teilprofilen gemäß Fig. 1b bis 1e besteht.

4. Sonnenkollektor nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die äußere, der Sonne zugewandte Wandung deutlich stärker ist als die Wandstärke der folgenden, fluidbegrenzenden Schicht.

5. Sonnenkollektor nach Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Schichten zumindest teilweise vakkuumiert sind.

6. Sonnenkollektor nach Anspruch 1-5 dadurch gekennzeichnet, daß die fluidführenden Kanä­ le feststehende, spiralförmige Körper (17) oder andere Körper enthalten, um das Fluid zu verwirbeln.

7. Sonnenkollektor nach Anspruch 1-6 dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich seewasser­ fest ist.

8. Sonnenkollektor nach Anspruch 1-7 oder sonstiger Flächenkollektor oder Solarmodul da­ durch gekennzeichnet, daß er drehbar gelagert ist und zumindest in größeren Winkelschrit­ ten mittels mindestens eines pneumatischen Muskels (22) der Sonne nachgeführt wird.

9. Kollektoranlage mit Sonnennachführung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des pneumatischen Muskels um eine Windstärkemessung erweitert wird und der/die Kollektor(en) ab einer bestimmten Windstärke in die waagerechte Stellung gebracht werden.

10. Kollektoranlage mit Sonnennachführung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß in Teilbereichen einer solchen Anlage Kollektoren nach Anspruch 1-7 mit unterschiedlichen Abmessungen, insbesondere der Lagenhöhe, der drei Doppelsteglagen verwendet werden.