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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Reflektor nach dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1 und insbesondere auf einen Reflektor,
der zusammen mit einer Anordnung paralleler Solarkollektor-Röhren eingesetzt
wird, sowie auf ein Kollektorsystem mit dem Reflektor und einer
Anordnung von Kollektorröhren,
die so angebracht sind, dass sie die von dem Reflektor zurückgeworfene
Strahlung empfangen. Die Erfindung ist in einem Solarkollektorsystem
verwendbar, das auf dem Dach eines Gebäudes angebracht und mit einer
Warmwasserversorgung in dem Gebäude
verbunden ist. Jedoch sind selbstverständlich auch andere Anwendungen
der Erfindung zur Energiegewinnung usw. möglich.
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Gegenwärtig werden
Reflektoren zusammen mit Anordnungen paralleler Solarkollektor-Röhren verwendet,
um einfallende Strahlung, die zwischen den Röhren verläuft, zurück zu reflektieren. Die Reflektoren
werden eingesetzt, um den Wirkungsgrad bei der Energiegewinnung
bzw. Sammlung von Strahlung zu maximieren und somit die sich widerstreitenden
Forderungen für
eine minimale Ansammlung an Kollektorröhren in jeder Anlage und eine
maximale wirksame Sammlungsfläche
auszugleichen.
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Von
den verschiedenen bekannten Typen von Reflektoren, geht die vorliegende
Erfindung von dem sogenannten "Verbund-Parabol-Konzentrator" (Compound Parabolic
Concentrator) bzw. "CPC-Reflektor" aus.
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Der
CPC-Reflektor umfasst eine Vielzahl paralleler, sich longitudinal
erstreckender Hauptkanäle und
eine Vielzahl von sich longitudinal erstreckender Primärspitzen
bzw. -scheitel oder -höcker.
Die Primärspitzen
sind so angeordnet, dass sie hinter jeweiligen einzelnen Kollektorröhren liegen,
und sie definieren die gemeinsamen Kanten bzw. Ränder von benachbarten Hauptkanälen. Jeder
der Hauptkanäle ist
durch zwei parallele, sich longitudinal erstreckende Nebenkanäle festgelegt,
und eine sich longitudinal erstreckende Sekundärspitze ist innerhalb jedes Hauptkanales
zwischen den beiden Nebenkanälen vorgesehen.
Die Oberfläche
jedes Nebenkanales wird im Schnitt als eine Evolvente der angrenzenden Kollektorröhre erzeugt
und erstreckt sich zwischen den benachbarten Primär- und Sekundärspitzen.
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Als
Folge der CPC-Reflektorgeometrie wird Licht, das auf die Oberfläche eines beliebigen
Nebenkanales einfällt,
in die angrenzende Kollektorröhre
reflektiert, was entweder direkt oder als Sekundärreflexion von der Oberfläche des
gleichen Nebenkanales geschieht. Im Grenzfall wird Licht, das auf
die Oberfläche
von irgendeinem der Nebenkanäle
und tangential zu der angrenzenden Kollektorröhre einfällt, zurück längs seines eigenen Strahlenganges
reflektiert. Als Folge hiervon wird Licht, das auf die Oberfläche von
irgendeinem der Nebenkanäle
einfällt,
nicht zu einer entfernten Kollektorröhre oder zu der Oberfläche des
anderen Nebenkanales innerhalb des gleichen Hauptkanales reflektiert.
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Die
CPC-Reflektoren bieten verschiedene Vorteile: sie haben niedrige
Profile, geringe Anforderungen an die Röhren und benötigen eine
kleine Reflektorfläche.
Jedoch haben die CPC-Reflektoren auch bestimmte, miteinander verknüpfte Nachteile:
- (a) Sie können
nicht in üblicher
Weise aus Glas, dem an sich idealen Reflektormaterial, gebildet werden,
was auf die inhärent
enge Krümmung
der reflektierenden Oberflächen
der Nebenkanäle
infolge der Verwendung von in üblicher
Weise bemessenen Kollektorröhren
zurückzuführen ist.
- (b) Sie müssen
aus Metall, insbesondere aus anodisiertem Aluminiumblech bzw. anodisierter
Aluminiumfolie, gebildet werden.
- (c) Sie neigen zu einer Verschlechterung ihrer Oberfläche.
- (d) Es tritt eine Wetterbeeinflussung infolge Feuchtigkeit und
Staub der kanaldefinierenden Reflektoroberfläche ein.
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Infolge
der obigen Nachteile weisen die CPC-Reflektoren insgesamt eine niedrigere
Wirksamkeit auf als an sich erforderlich wäre.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reflektor für Solarkollektor-Röhrenanordnungen
zu schaffen, der sich durch eine hohe Wirksamkeit auszeichnet und
die obigen Nachteile vermeidet.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung einen Reflektor mit
den Merkmalen des Patentanspruches 1 vor. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der
erfindungsgemäße Reflektor,
der in einer Anordnung von parallelen, länglichen Solarkollektor-Röhren verwendet
wird und Strahlung zurückreflektiert,
die zwischen den Kollektorröhren
bei deren Einsatz verläuft,
umfasst insbesondere:
Eine Vielzahl von parallelen, sich longitudinal
erstreckenden Kanälen
und eine Vielzahl von sich longitudinal erstreckenden Spitzen oder
Scheiteln bzw. Höckern,
wobei
die Spitzen so gelegen sind, dass sie im Gebrauch hinter jeweiligen
Kollektorröhren
liegen und jede Spitze zwischen benachbarten Kanälen vorgesehen ist,
jeder
Kanal durch gegenüberliegende
Seitenwände festgelegt
ist, die von zugeordneten Spitzen zu einem gemeinsamen, sich longitudinal
erstreckenden Trog konvergieren, und
jede Seitenwand ein Profil
aufweist, so dass Krümmungen
zwischen einer zugeordneten Spitze und einem zugeordneten Trog so
gestaltet sind, dass im Gebrauch wenigstens ein Hauptanteil an Strahlung, der
auf die Seitenwand einfällt,
reflektiert wird zu:
- (a) der entgegengesetzten
Seitenwand und von dort zu einer Kollektorröhre, die im Gebrauch über der
Spitze der entgegengesetzten Seitenwand vorgesehen ist, oder
- (b) direkt zu der Kollektorröhre,
die im Gebrauch oberhalb der Spitze der entgegengesetzten Seitenwand
vorgesehen ist.
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In
einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist eine Solarkollektoranordnung
mit einer Vielzahl von länglichen,
im Wesentlichen parallelen Solarkollektor-Röhren und einem Reflektor gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgesehen, wobei jede Kollektorröhre neben und oberhalb einer
Spitze des Reflektors gelegen ist.
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Jede
der Seitenwände
der Kanäle
innerhalb des Reflektors hat ein Profil, das stärker wirksam wenigstens teilweise
bezüglich
seiner entfernten Kollektorröhre
als allein bezüglich
der angrenzenden Röhre wie
beim oben beschriebenen CPC-Reflektor
erzeugt ist. Als Folge hiervon haben für eine gegebene Kollektorröhrenabmessung
die Seitenwände
der Kanäle
in dem Reflektor flachere Kurven als diejenigen, welche die Oberflächen der
Nebenkanäle
innerhalb des CPC-Reflektors definieren. Dies erlaubt wiederum,
dass der erfindungsgemäße Reflektor aus
Glas hergestellt werden kann. Da weiterhin ein einziger Trog vorgesehen
ist, der geometrisch zwischen den Wänden innerhalb jedes der Kanäle gelegen
ist, kann der Fußpunkt
oder Nadir des Troges in Intervallen entlang seiner Länge geöffnet werden,
um ein Abfließen
von Wasser zu erlauben, das sich sonst absetzen und die reflektierende
Oberfläche
verschlechtern würde.
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Der
erfindungsgemäße Reflektor
kann aus jedem reflektierenden Material, einschließlich poliertem
Blech und anodisiertem Aluminium gebildet, d. h. hergestellt, geformt,
gepresst oder gerollt werden. Jedoch wird der Reflektor vorzugsweise
aus Glas mit einer reflektierenden Oberflächenbeschichtung gebildet.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung weist jede Seitenwand ein Profil
auf, so dass unter der Grenzbedingung Licht, das auf die Seitenwand
einfällt
und längs
eines Strahlenganges tangential zu einer zugeordneten Kollektorröhre, die
von der Seitenwand entfernt ist, verläuft, längs des gleichen Strahlenganges
zurückreflektiert
wird.
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Vorzugsweise
ist der Reflektor im Wesentlichen symmetrisch, wenn er in seinem
Querschnitt betrachtet wird.
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In
einer anderen Weiterbildung der Erfindung hat jede Seitenwand ein
Profil derart, dass unter der Grenzbedingung Licht, das auf eine
Seitenwand einfällt
und längs
eines Strahlenganges tangential zu einer Kollektorröhre verläuft, die
an die Seitenwand angrenzt, zu einer entgegengesetzten Seitenwand
reflektiert und sodann erneut tangential zu einer zugeordneten Kollektorröhre, die
von der Seitenwand entfernt ist, reflektiert wird.
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Nachfolgend
werden der herkömmliche CPC-Reflektor
und bevorzugte Ausführungsbeispiele des
erfindungsgemäßen Reflektors
anhand der Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine perspektivische Enddarstellung eines
Teiles eines herkömmlichen
CPC-Reflektors, der hinter einer Anordnung von drei parallelen Kollektorröhren vorgesehen
ist,
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2 eine Anordnung, die zu
derjenigen von 1 ähnlich ist,
jedoch einen Reflektor aufweist, der ein Profil hat, das den zuerst genannten
Anforderungen der vorliegenden Erfindung genügt,
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3 eine Anordnung, die zu
derjenigen von 2 ähnlich ist,
bei der jedoch ein Reflektor vorgesehen ist, der ein Profil aufweist,
das den an zweiter Stelle genannten Anforderungen genügt, und
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4 Graphen der optischen
Wirksamkeit in Abhängigkeit
von dem Strahlungseinfallwinkel für Reflektoren, wie diese in
den 1 bis 3 gezeigt sind.
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Wie
in 1 veranschaulicht
ist, umfasst der CPC-Reflektor eine Vielzahl von parallelen, sich
longitudinal erstreckenden Hauptkanälen 10 und eine Vielzahl
von sich longitudinal erstreckenden Primärspitzen bzw. -scheiteln oder
-höckern 11.
Die Primärspitzen
sind so angeordnet, dass sie hinter jeweiligen Kollektorröhren 12 liegen,
und sie definieren gemeinsame Kanten oder Ränder von benachbarten Hauptkanälen 10.
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Jeder
der Hauptkanäle
wird durch zwei parallele, sich longitudinal erstreckende Nebenkanäle 13 gebildet,
und eine sich longitudinal erstreckende Sekundärspitze 14 liegt zentral
innerhalb jedes der Hauptkanäle 10 und
trennt die beiden Nebenkanäle 13 innerhalb
jedes Hauptkanales.
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Die
Oberfläche
jedes Nebenkanales 13 wird (im Querschnitt betrachtet)
als eine Evolvente der benachbarten oder angrenzenden Kollektorröhre erzeugt,
und die Oberfläche
erstreckt sich zwischen den benachbarten Primär- und Sekundärspitzen.
Somit hat jeder der Nebenkanäle 13(a),
wie dies in der linken Seite von 1 angegeben
ist, eine Oberfläche,
die eine Evolvente der angrenzenden Kollektorröhre 12(a) ist, wie
dies in der linken Seite von 1 dargestellt
ist.
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Als
Folge der CPC-Reflektorgeometrie wird Licht im nahen normalen bzw.
senkrechten Einfall, das auf die Oberfläche von irgendeinem der Nebenkanäle auftrifft,
in die angrenzende Kollektorröhre reflektiert,
wie dies für
einen Lichtstrahl 15 in 1 gezeigt
ist. Licht, das von der Normalen weiterversetzt ist und das auf
die Oberfläche
von irgendeinem der Nebenkanäle 13 einfällt, wird
auch in die benachbarte Kollektorröhre reflektiert, was jedoch
in diesem Fall als Sekundärreflexion
erfolgt, wie dies für
einen Lichtstrahl 16 angegeben ist, der in 1 gezeigt ist.
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Licht,
das auf die Oberfläche
von irgendeinem der Nebenkanäle 13 und
tangential zu der angrenzenden Kollektorröhre 12 einfällt, wird,
wie auch in 1 gezeigt
ist, zurück
längs seines
eigenen Strahlenganges reflektiert. Dies ist durch Strichlinien 17 in
der Zeichnung angegeben.
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2 zeigt eine Ausführungsform
des Reflektors, der den Anforderungen der vorliegenden Erfindung
genügt
und im Gegensatz zu dem oben definierten CPC-Reflektor eine Vielzahl von parallelen, sich
longitudinal erstreckenden Kanälen 20 und
eine Vielzahl von sich longitudinal erstreckenden Spitzen bzw. Scheiteln
oder Höckern 21 hat.
Die Spitzen sind so angeordnet, dass sie hinter jeweiligen Kollektorröhren 22 liegen,
und sie definieren gemeinsame Kanten oder Ränder von benachbarten Kanälen 20.
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Die
Kollektorröhren 22 sind
von einer Art, die an sich üblich
ist. Jede Kollektorröhre
hat insbesondere eine Innenglasröhre
mit einem geschlossenen Ende und eine Außenglasröhre, die die Mantelfläche der
Innenröhre
umhüllt.
Die Außenfläche der
Innenröhre
ist mit einer solarselektiven Oberflächenbeschichtung versehen (beispielsweise
einem reaktiv gesputterten Metallcarbid oder einer nichtreaktiv
gesputterten Hochglanzmetallunterlage) und der Zwischenraum zwischen
den beiden Röhren
ist evakuiert. Ein Wärmeaustauschfluid,
insbesondere Wasser, wird in und durch ein Metall-U-Rohr (nicht
gezeigt) gefördert,
das innerhalb der Innenkollektorröhre gelegen Ist, und es sind
Vorkehrungen getroffen, um Wärme
von der Innenröhre
zu dem Wärmeaustauschfluid
zu leiten. Ein Leitungssystem wird verwendet, um Wasser in und aus
dem U-Rohr in eine Anordnung der Kollektorröhren zu leiten.
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Jeder
der Kanäle 20 ist
durch entgegengesetzte Seitenwände 22 festgelegt,
die zu einem gemeinsamen, d. h. einzigen, sich longitudinal erstreckenden
Trog 24 konvergieren. Obwohl dies in den Zeichnungen nicht
dargestellt ist, ist der unterste Teil jedes Troges in Intervallen
entlang seiner Länge
geöffnet,
um einen Abfluss von jeglichem Wasser, das sich in dem Kanal sammeln
kann, zu erlauben.
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Jede
Seitenwand 23 jedes Kanales 20 hat ein Profil,
das zwischen seiner zugeordneten Spitze 21 und dem Trog 24 gekrümmt ist.
Auch ist jede Seitenwand derart gestaltet, dass Strahlung, die auf
die Seitenwand einfällt,
entweder zu der entgegegengesetzten Seitenwand und damit zu der
entfernten Kollektorröhre,
die über
der Spitze der entgegengesetzten Seitenwand gelegen ist, oder direkt
zu der entfernten Kollektorröhre
reflektiert wird.
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Auch
wird das Profil jeder Seitenwand 23 derart erzeugt, dass
Licht, das auf die Seitenwand und tangential zu der entfernten Kollektorröhre einfällt, zurück längs seines
eigenen Strahlenganges reflektiert wird, wie dies im Fall eines
Lichtstrahles 25 in 2 gezeigt
ist. Strahlung, die winkelmäßig in einem
gewissen Ausmaß von
einem normalen bzw. senkrechten Einfall versetzt ist (wie durch
das Bezugszeichen 26 veranschaulicht), und die auf die
Seitenwand 23 einfällt,
wird direkt in den unteren Bereich der entfernten Kollektorröhre 21 reflektiert.
Strahlung, die winkelmäßig in einem
weiteren Ausmaß von der
Normalen oder Senkrechten versetzt ist (wie durch Bezugszeichen 27 angedeutet),
wird in die entfernte Kollektorröhre
reflektiert, was in diesem Fall aber als Sekundärreflexion von der entgegengesetzten
Seitenwand 23 des Kanales geschieht.
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3 der Zeichnungen veranschaulicht
eine zweite Ausführungsform
des Reflektors, der den oben genannten Anforderungen genügt. Diese
Ausführungsform
ist ähnlich
zu derjenigen, welche in 2 dargestellt
ist, und für
einander entsprechende Bauteile werden die gleichen Bezugszeichen
verwendet.
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Jedoch
wird im Fall des Ausführungsbeispiels
der 3 der vorliegenden
Erfindung das Profil jeder Seitenwand 23 derart erzeugt,
dass Strahlung, die auf die Seitenwand und tangential zu deren angrenzenden
Kollektorröhre
einfällt,
horizontal zu der entgegengesetzten Seitenwand reflektiert und tangential
zu der entfernten Kollektorröhre
erneut reflektiert wird. Dies ist durch Strahlenganglinien 28 in 3 veranschaulicht.
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Strahlung,
die innerhalb der Linien 28 des Strahlenganges einfällt, wird
zu der entfernten Kollektorröhre 22 entweder
durch erneute Abstrahlung, wie dies für einen Strahlengang 29 angegeben
ist, oder direkt, wie dies für
einen Strahlengang 30 angegeben ist (vgl. 3), reflektiert.
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4 zeigt Vergleichsgraphen
für die
optische Wirksamkeit in Abhängigkeit
vom Strahlungswinkel für:
- (A) Einen CPC-Reflektor mit einem Reflexionsvermögen von
0,95,
- (B) eine Reflektorkonfiguration, wie diese in 2 gezeigt ist, mit einem Reflexionsvermögen von 0,95,
- (C) eine Reflektorkonfiguration, wie diese in 3 gezeigt ist, mit einem Reflexionsvermögen von 0,95,
und
- (D) einen CPC-Reflektor mit einem Reflexionsvermögen von
0,82.
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Aus
den Graphen kann allgemein geschlossen werden, dass die Reflektoren
gemäß der vorliegenden
Erfindung optische Wirksamkeiten bzw. Wirkungsgrade aufweisen, die
höher als
diejenigen eines CPC-Reflektors mit einem Reflexionsvermögen von
82 %, jedoch nicht so hoch als diejenige des CPC-Reflektors mit
einem Reflexionsvermögen
von 95 % sind. Da jedoch der bestehende CPC-Reflektor nicht in geeigneter
Weise mit einem so hohen Reflexionsvermögen wie 95 aus den zuvor angegebenen Gründen gebildet
werden kann, folgt daraus, dass der erfindungsgemäße Reflektor
beträchtliche
Vorteile gegenüber
den herkömmlichen
Reflektoren hat.