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Die
Erfindung betrifft eine Verschlusskappe für eine Kollektorröhre sowie
eine Betätigungsvorrichtung
zum Drehen einer Kollektorröhre
und einen Röhrenkollektor.
Derartige Elemente werden insbesondere eingesetzt in Kombination
mit solarthermischen Röhrenkollektoren
oder Kraftwerken mit optischen Einrichtungen.
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Bei
solarthermischen Röhrenkollektoren oder
Kraftwerken dienen die optischen Einrichtungen dazu, das Licht auf
eine Absorberfläche
zu fokussieren. Ein Vorteil beweglicher Röhrenkollektoren resultiert
daraus, dass die optischen Einrichtungen einerseits dem Sonnenstand
nachgeführt
werden können, was
den Ertrag steigert, andererseits auch, dass sie aus der Sonne gedreht
werden können,
um sie vor hohen Stillstandstemperaturen zu schützen. Ist die optische Einrichtung
nicht mechanisch an die Absorberfläche gekoppelt, kann sie unabhängig von
dieser bewegt werden und die wärmeabführenden
Leitungen können
starr montiert werden.
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Es
sind solarthermische Röhrenkollektoren bekannt,
bei denen das Hüllrohr
einer Kollektorröhre in
seiner Längsachse
auf der der Sonne abgewandten Hälfte
verspiegelt ist. Das Licht wird mit diesem Spiegel auf das im Hüllrohr angeordnete
Absorberrohr reflektiert. Da sich der Spiegel im Vakuum zwischen
Hüllrohr
und Absorberrohr befindet, ist er vor Verschmutzung und Korrosion
geschützt,
was einen Vorteil gegenüber
außerhalb
angeordneten optischen Einrichtungen darstellt. Bisher existierende Röhrenkollektoren
dieser Bauart umfassen meist mehrere Röhren, die fest mit einem Sammelrohr
des Kollektors, im Folgenden Verteiler genannt, verbunden sind.
Aus der festen Verbindung resultiert der Nachteil, dass für eine Nachführung des
Sonnenstandes der gesamte Röhrenkollektor
bewegt werden muss. Denn dies erfordert eine robuste Nachführeinrichtung
und entsprechende Bewegungsfreiheit auf Flachdächern oder anderen ebenen Flächen.
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Selbst
wenn zur Vermeidung dieses Nachteils der Spiegel gegenüber dem
Verteiler drehbar ausgestaltet ist, bringt eine Drehung des Spiegels
im Hüllrohr
auch eine Drehung des Absorberohrs und der Leitungen für das Wärmeträgermedium
mit sich, weil das Hüllrohr
inklusive Spiegel fest mit dem Absorberrohr verschmolzen ist.
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Die
Lagerung der Röhren
kann hierbei durch Wälz-
oder Gleitlager erfolgen. Wälzlager
bieten den Vorteil geringer Reibungsverluste, sind aber teuer und
wartungsanfällig.
Außerdem
besteht bei Frost die Gefahr, dass sie einfrieren. Vorteilhaft ist
in dieser Hinsicht die Verwendung von Gleitlagern. Ein Gleitlager,
das den Röhrenumfang
umfasst, erzeugt aber eine relativ hohe Reibung.
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Die
Reibungsverluste könnten
zwar reduziert werden, indem an den Enden der Glasröhren Stutzen angebracht
werden, deren Durchmesser kleiner als der Röhrendurchmesser ist. Der Stutzen
könnte
beispielsweise durch Kleben oder durch Verschweißen mit dem Glas erfolgen.
Glas/Metallverbindungen sind zwar gängige Praxis, aber sehr aufwendig
und teuer. Die Anbringung eines Glasstutzens wäre ebenfalls mit einem hohen
Herstellungsaufwand und mit hohen Fertigungstoleranzen verbunden.
Hinzu kommen Fertigungstoleranzen der Glasröhren hinsichtlich Linearität, Ovalität und Durchmesser,
die einer exakten zentrischen Lagerung der Röhren entgegenstehen.
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Bekannte
Glasröhren,
die dies erlauben, sind aufwendig in der Herstellung und unzuverlässig im
Betrieb.
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Aufgabe
ist es daher, eine Verschlusskappe bereitzustellen, welche eine
drehbare Lagerung einer Kollektorröhre gegenüber dem Verteiler ermöglicht und
zugleich eine kostengünstige
und gleichzeitig betriebssichere Kombination mit einer Kollektorröhre ermöglicht.
Weitere Aufgabe ist es, eine Betätigungsvorrichtung
bereitzustellen, die mit der erfindungsgemäßen Verschlusskappe zusammenwirken
kann.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch eine Verschlusskappe gemäß Anspruch 1 bzw. die Vorrichtungen
gemäß den Ansprüchen 13,
14 oder 15. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den nachfolgenden
Ansprüchen
definiert.
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Ein
besonderer Vorzug der erfindungsgemäßen Verschlusskappe ist, dass
sie die Funktionen des Verschließens der Kollektorröhre, des
Bereitstellens einer Zu-/Abfuhr des Wärmeträgermediums und der Drehung
der Kollektorröhre
in sich vereinigt.
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Die
erfindungsgemäße Kappe
stellt somit die einzige technische Schnittstelle zur technischen
Umgebung der Kollektorröhre
dar. Eine Anpassung an eine veränderte
technische Umgebung (z.B. eine andere Lagervorrichtung, eine andere
Betätigungsvorrichtung
zum Drehen der Kollektorröhre
oder ein anderer Verteiler) erfordert also lediglich eine Änderung der
Verschlusskappe, nicht jedoch eine Anpassung des technisch aufwendigen
Glaskolbens oder sonstiger Abschnitte der Kollektorröhre. Dies
führt zu
einer Optimierung der Modularität
und zu einer erheblich erweiterten Verwendbarkeit für ein und
denselben Kollektorröhrentyp.
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Die
erfindungsgemäße Verschlusskappe
besteht aus einem hitze- und druckbeständigen Material. Vorteilhaft
ist die Verwendung von Kunststoff, da die Verschlusskappe dann z.B.
in Spritzgusstechnik in großen
Mengen besonders kostengünstig
herzustellen ist.
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Die
Kappe wird mit der Kollektorröhre
fest verbunden. Als Verbindungstechniken sind z.B. Kleben oder Klemmen
unter Verwendung von Dichtungen vorteilhaft.
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Die
zentrische Lagerung der Röhren
ist bei einem Kollektor mit mehreren Röhren vorteilhaft, wenn sich
das feststehende Verteilerrohr in einem wärmegedämmten Gehäuse befindet. Zur Vermeidung
von Wärmeverlusten
der flexiblen Verbindung zwischen den Röhren und dem Verteiler ist
es vorteilhaft, diese mit in das Verteilergehäuse zu integrieren. Die Röhrenenden
ragen auf diese Weise in das Verteilergehäuse hinein. Um die Gehäusedämmung vor Regenwasser
zu schützen,
muss die Durchführung der
drehbaren Röhre
in das feststehende Verteilergehäuse
abgedichtet werden. Eine zentrische Lagerung der Röhren ermöglicht die
Abdichtung durch einfache Gummimanschetten.
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Die
Röhrenenden
werden zur drehbaren Lagerung mit einer erfindungsgemäß weitergebildeten Kappe
versehen, die im Mittelpunkt des Kappenquerschnitts einen Lagerstutzen
aufweist. Die Kappen werden vorzugsweise auf die Röhren geklebt,
können
aber auch anderweitig fixiert werden, wie beispielsweise mittels
Dichtungen. Durch die Verklebung der Kappe mit der Röhre können Fertigungstoleranzen
der Glasröhren
ausgeglichen werden, so dass diese exakt zentrisch gelagert werden
können und
der Röhrendurchgang
am Kollektorgehäuse
gegen das Eindringen von Nässe
durch einfache Manschetten geschützt
werden kann.
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Erfindungsgemäß befindet
sich in der Verschlusskappe zur Zu- bzw. Abführung des Wärmeträgermediums eine Durchführung. Die
Durchführung und
Ankopplung an den Verteiler kann in den zentrisch angeordneten Lagerstutzen
integriert werden oder exzentrisch über einen Schlauchstutzen erfolgen.
Der Schlauchstutzen kann durch Verjüngungen und Schellen so gestaltet
sein, dass ein Ablösen
des Schlauchs auch bei hohem Druck des Wärmeträgermediums verhindert wird.
Um einen möglichst
großen Drehwinkel
der Röhren
zu ermöglichen,
ist der Schlauch stutzen in großem
Abstand zum Lagerstutzen angeordnet. Er kann sich auch seitlich
an der Kappe befinden und in Ausrichtung und Form beliebig gestaltet
werden. Das Absorberrohr kann maschinell mit dem Hüllrohr verschmolzen
werden, da eine Verjüngung
des Absorberrohrs und die Verlagerung der Absorberrohrmündung an
den Rand bzw. in den Hüllrohrmittelpunkt
nicht notwendig ist. Das Wärmeträgermedium
tritt aus dem Absorberrohr aus und strömt in einem Spalt oder Kanal
zwischen Röhrenende
und Kappe zum Schlauchstutzen. Zwischen der Austrittsöffnung des
Absorberrohrs und dem Schlauchstutzen kann ein Filter integriert
werden, der Verhindert, das Partikel in den Wärmeträgerkreislauf gelangen. Dies
ist insbesondere bei der Verwendung von Granulatabsorbern vorteilhaft.
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Diese
Funktion der Schnittstelle der erfindungsgemäßen Verschlusskappe vermeidet
die Probleme der Ableitung des Wärmeträgermediums,
die bei einem Schlauchstutzen oder drehbarere Kupplung auftreten,
welche direkt mit der Kollektorröhre verbunden
sind.
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Dort,
also beim Stand der Technik, wird zur Ableitung des Wärmeträgermediums
vom drehbaren Absorberrohr zum feststehenden Verteiler eine drehbare
Kupplung oder ein Schlauch verwendet. Die drehbare Kupplung befindet
sich dort z.B. im Mittelpunkt des Röhrenquerschnitts, wenn eine
zentrische Lagerung der Röhren
vorgesehen ist. Eine drehbare Kupplung stellt eine potentielle Quelle
für Undichtheiten
dar. Ein weiterer Nachteil ist, dass bei einer zentrischen Lagerung
der Röhre
der Lagerstutzen und die drehbare Kupplung denselben Platz einnehmen. Beide
Bauteile müssten
durch eine Verbindung unterschiedlicher Materialien miteinander
kombiniert werden, was für
den Massenmarkt zu aufwendig ist. Erschwerend kommt hinzu, dass
das Absorberrohr bei einer halbseitigen Verspiegelung des Hüllrohrs aus
optischen Gründen
genau in der verspiegelten Hälfte
des Hüllrohrs
angeordnet ist. Die Mündung des
Absorberrohrs geht auf diese Weise durch den Mittelpunkt des Röhrenquerschnitts.
Die Anbringung eines Lagerstutzens bzw. einer drehbaren Kupplung ist
deshalb nur möglich,
wenn das Absorberrohr am Ende verjüngt und die Mündung in
den Mittelpunkt des Röhrenquerschnitts
ver legt wird. Bei einer flexiblen Verbindung des Absorberrohrs mit
dem Verteiler durch einen Schlauch müsste die Mündung des verjüngten Absorberrohrs
an den Rand des Röhrenquerschnitts
verlegt werden. Da diese Arbeitsschritte die Röhrenherstellung verteuern,
ist beim Stand der Technik entsprechend das Kosten-/Nutzen-Verhältnis einer
solchen Sonnenstandsnachführung schlecht.
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Die
Verbindung des Schlauches zum Verteiler bzw. zur Röhre muss
dauerhaft druck- und hitzestabil sein. Bei der Verbindung des Schlauches
mit dem Absorberrohr durch O-Ringe oder Verkleben, wie dies im Stand
der Technik üblich
ist, besteht durch die Drehbewegung der Röhren die Gefahr von Undichtheiten.
Das Ansetzen eines Schlauchstutzens eventuell mit Schraubanschluss
aus Glas wäre für die Massenproduktion
wiederum sehr aufwendig und teuer. Hinzu kommt, dass der Abstand
zwischen Röhrenlager
und Schlauchstutzen möglichst
groß sein
muss, um einen ausreichenden Drehwinkel zu realisieren. Dies würde einen
entsprechend großen Röhrendurchmesser
erfordern. Unter Berücksichtigung
hydraulischer und optischer Aspekte des Kollektor-Wirkungsgrades
werden aber eher kleine Röhrendurchmesser
bevorzugt.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist der Antrieb zur Drehung der Röhren integriert. Der Antrieb
kann über
Hebel, Riemen oder Zahnstangen erfolgen. Die weitere Gestaltung
der erfindungsgemäßen Kappe
erfolgt zu diesem Zweck so, dass eine kraftschlüssige Übertragung der Bewegung möglich ist.
Vorteilhaft ist ein Antrieb über
eine Zahnstange. Zu diesem Zweck ist die Kappe zumindest auf einem
Teilumfang mit einer Verzahnung versehen. Ein entscheidender Vorteil
dieses Antriebs besteht gegenüber
einem Hebelarm darin, dass die Neutralstellung der Röhren leicht
an die örtlichen
Gegebenheiten der Kollektormontage angepasst werden kann. Dies ist
beispielsweise dann der Fall, wenn eine Dachfläche nicht ideal nach Süden ausgerichtet ist
oder wenn mehrere Kollektoren, die in unterschiedlichen Himmelsrichtungen
montiert wurden, untereinander so gekoppelt werden sollen, dass
die Röhren
mit nur einem Antriebsaggregat be wegt werden können. Dabei wird die Verzahnung
der Kappen um einen oder mehrere Zähne versetzt in die Zahnstange
eingesetzt.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Drehung der Röhren
besteht darin, dass der exzentrisch angebrachte Stutzen zur Zu-
bzw. Ableitung des Wärmeträgermediums
durch eine drehbare Kupplung direkt mit dem Verteiler verbunden
ist. Eine lineare Bewegung des Verteilers führt dann zur Drehbewegungen aller
angekoppelten Röhren.
Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen, die in den
folgenden Figuren dargestellt sind, näher erläutert werden.
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Es
zeigen:
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1 den
Strahlengang einer optimal zur Sonne ausgerichteten Vakuumröhre mit
einer Verspiegelung des Hüllrohrs,
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2 den
Strahlengang einer Vakuumröhre wenn
diese aus der Sonne gedreht ist,
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3 den
Querschnitt einer Kappe mit umlaufender Verzahnung, Lagerstutzen
und Durchführung
für das
Wärmeträgermedium,
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4 den
Längsschnitt
einer Kappe mit umlaufender Verzahnung, Lagerstutzen und Durchführung für das Wärmeträgermedium,
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5 den
Längsschnitt
einer Kappe mit umlaufender Verzahnung und einer Kombination aus Lagerstutzen
und drehbarer Wärmeträgerkupplung,
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5a den
Längsschnitt
einer Kappe mit umlaufender Verzahnung und einer Kombination aus Lagerstutzen
und drehbarer Wärmeträgerkupplung, wobei
die Verbindung zwischen Kappe und Verteiler durch eine drehbare
Kupplung erfolgt,
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5a den
Längsschnitt
einer Kappe mit umlaufender Verzahnung und einer Kombination aus Lagerstutzen
und drehbarer Wärmeträgerkupplung, wobei
die Verbindung zwischen Kappe und Verteiler durch einen Schlauch
erfolgt,
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6a die
optimale Ausrichtung einer Vakuumröhre mit Kappe und Zahnkranzantrieb,
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6b Eine
Vakuumröhre
mit Kappe und Antrieb, die aus der Sonne gedreht ist,
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7 die
optimale Ausrichtung einer Vakuumröhre mit Kappe und Hebelantrieb,
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8 den
Antrieb von Vakuumröhren über das
Verteilerrohr und
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9 die
Ankopplung von Vakuumröhren über eine
Kombination aus Lagerstutzen und drehbarer Wärmeträgerkupplung an das Verteilerrohr.
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In 1 ist
die Aperturfläche 5 einer
Kollektorröhre
zwischen den Spiegelenden 6 eingezeichnet. Der Spiegel 6 befindet
sich auf der Innenseite des Hüllrohrs 1.
Das Licht 4 trifft lotrecht auf die Aperturfläche 5.
In dieser Konstellation erreicht die eingestrahlte Energiemenge
auf das Absorberrohr 2 ein Maximum. Fällt das Licht schräg auf die
Aperturfläche 5 verringert
sich die Lichtintensität
auf das Absorberohr 2. Werden die Kollektorröhren wie
in 2 dargestellt seitlich angestrahlt, wird das Licht 4 nicht auf
das Absorberrohr 2 reflektiert. Die in 1 dargestellte
Ausrichtung zum Licht 4 ist optimal für einen maximalen Kollektorertrag,
während
die in 2 dargestellte Position ideal ist, um die Absorberrohre 2 vor
Lichteinstrahlung 4 und damit im Havariefall vor Überhitzung
zu schützen.
Zur Änderung
der Ausrichtung zum Licht 4 müssen die Röhren 1, 2 um
ihre Längsachse
gedreht werden. Dazu ist eine zentrische Lagerung der Röhren 1, 2,
eine Möglichkeit
zur Übertragung
des Wärmeträgermediums
und ein Antrieb notwendig. Da dies wie bereits beschrieben an den
Glasröhren
selbst nicht mit vertretbarem Aufwand zu realisieren wäre, wird
die erfindungsgemäße Kappe
vorgeschlagen, die diese Aufgaben übernimmt.
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3 zeigt
einen Querschnitt einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Verschlusskappe mit
einem Stirnabschnitt und einem Mantelabschnitt, wobei auf dem Mantelabschnitt
ein umlaufender Zahnkranz 6 vorgesehen ist, der dem Antrieb
der Drehbewegung dient. Im Mittelpunkt des Stirnabschnitts des Hüllrohrquerschnitts 12 ist
der Stutzen zur zentrischen Röhrenlagerung 7 angeordnet.
Der Schlauchstutzen als Durchführung
für das
Wärmeträgermedium 8 befindet
sich in einem großen
Abstand zum Lagerstutzen 7 am Rand der Verschlusskappe. Das
Wärmeträgermedium 13 strömt entsprechend der
Pfeilrichtung durch Absorberrohr 2 und Schlauchstutzen 8 nach
außen.
Dabei passiert das Wärmeträgermedium 13 den
Filter 14, der zur Rückhaltung
von Partikeln dient. Die Kappe wird durch Verbindungs- und Dichtmaterial 16 auf
dem Hüllrohr 1 fixiert
und abgedichtet. Fertigungstoleranzen bei der Glasherstellung können dazu
führen,
dass das Hüllrohr 1 und der
Stutzen zur zentrischen Röhrenlagerung 7 nicht genau
fluchten. Diese Ungenauigkeiten können durch eine Anpassung des
Verbindungs- und Dichtmaterial 16, vorzugsweise durch eine
elastische Verklebung, ausgeglichen werden.
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Eine
andere Ausführungsform
zur Lagerung der Röhren
und zur Ableitung des Wärmeträgermediums
zeigt 5. Das Wärmeträgermedium 13 wird hier
durch eine Kombination von Lagerstutzen und drehbarer Wärmeträgerkupplung 15 abgeleitet.
Zu diesem Zweck ist der Lagerstutzen hohl und kann vom Wärmeträgermedium 13 durchströmt werden. Die
Verbindung zum Verteiler 20 kann direkt durch eine drehbare
Kupplung 23 erfolgen, wie in 5a dargestellt.
Eine weitere Verbindungsmöglichkeit über einen
Schlauch 24 ist in 5b dargestellt.
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Die 6a und 6b zeigen
an einer beispielhaften Ausführung
die Ausrichtung der Kollektorröhre
mit Hüllrohr 1 und
Spiegel 6 entsprechend den 1 und 2 im
Zusammenspiel des Zahnkranzes 6 mit der Zahnstange 10.
Die lineare Bewegung der Zahnstange 10 führt zu einer
Drehbewegung der Kollektorröhre 1, 2 und 3 mit
der Kappe 6, 7 und 8. Die Bewegungsrichtung
der Zahnstange 11 bestimmt die Drehrichtung der Kollektorröhre 1, 2 und 3 mit
der Kappe 6, 7 und 8. Die Stellung des Zahnkranzes 6 im
Verhältnis
zur Zahnstange 10 kann um einen oder mehrere Zähne versetzt
werden. Dadurch verändert
sich bei gleicher Position der Zahnstange 10 die Ausrichtung
der Kollektorröhre 1, 2 und 3 mit
der Kappe 6, 7 und 8. Die Röhren eines
Kollektors können
auf diese Weise bei Bedarf den Lichtverhältnissen am Montageort angepasst
werden. Dies ist zum Beispiel dann notwendig, wenn mehrere Kollektoren
mit unterschiedlicher Ausrichtung untereinan der gekoppelt werden,
um die Röhren
mit nur einem Antriebsaggregat zu bewegen.
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In 7 ist
ein möglicher
Antrieb über
einen Mitnehmer bzw. Hebel 19 dargestellt. Bei der Drehbewegung
der Kollektorröhre
führt die
Schubstange 17 eine bogenförmige Bewegung 18 aus.
Der Mitnehmer kann auf der Mantelfläche oder aber auf der Stirnfläche angeordnet
sein.
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8 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Anbindung der Kollektorröhren 1, 2 und 3 an
den Verteiler 20. Die Durchführung für das Wärmeträgermedium 8 ist über eine
drehbare Kupplung 23 direkt mit dem Verteiler 20 verbunden.
Der Verteiler 20 übernimmt
dabei besonders vorteilhafterweise gleichzeitig die Funktion der
Schubstange 17.
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In 9 ist
in Analogie zur 5a eine Draufsicht auf einen
Verbund von Kollektorröhren 1, 2 und 3 an
den Verteiler 20 durch eine Kombination von Lagerstutzen
und drehbarer Wärmeträgerkupplung
dargestellt. Das Verteilerrohr 20 übernimmt dabei gleichzeitig
die Funktion eines Röhrenlagers.
Die Drehbewegung der Kollektorröhren 22 kann
entweder wie in 6a bzw. 6b dargestellt, über eine Zahnstange 10 oder
wie in 7 dargestellt durch eine Schubstange 17 und
Hebel 19.
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Weitere
Möglichkeiten
des Röhrenantriebes sind
zum Beispiel durch Reibung über
Riemen oder Schubstangen gegeben. Wenn ein Riemen verwendet wird,
ist auf der Mantelfläche
der Verschlusskappe eine umlaufende Führungsnut angebracht, in welcher
der Riemen gegen Verschiebung quer zur Antriebsrichtung fixiert
ist.
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- 1
- Querschnitt
Hüllrohr
- 2
- Querschnitt
Absorberrohr
- 3
- Spiegel
- 4
- Strahlengang
- 5
- Ebene
der Aperturfläche
- 6
- Zahnkranz
zur kraftschlüssigen Übertragung der
Bewegung auf die Kollektorröhre
- 7
- Lagerstutzen
zur zentrischen Röhrenlagerung
- 8
- Durchführung für Wärmeträgermedium
- 9
- Kombination
aus Lagerstutzen und drehbarer Wärmeträgerkupplung
- 10
- Zahnstange
- 11
- Bewegungsrichtung
der Zahnstange
- 12
- Mittelpunkt
des Hüllrohrquerschnitts
- 13
- Strömung des
Wärmeträgermediums
- 14
- Filter
- 15
- Kombination
von Lagerstutzen und drehbarer Wärmeträgerkupplung
- 16
- Verbindungs-
und Dichtmaterial zwischen Kappe und Kollektorröhre
- 17
- Schubstange
- 18
- Bewegungsrichtung
der Schubstange
- 19
- Hebel
- 20
- Verteilerrohr
- 21
- Bewegungsrichtung
des Verteilerrohrs
- 22
- Drehbewegung
der Kollektorröhren
- 23
- Drehbare
Kupplung
- 24
- Schlauch