DE102007044063B4

DE102007044063B4 - Nachführbare solarthermische Anlage zur Erzeugung von Wärme aus Sonnenergie

Info

Publication number: DE102007044063B4
Application number: DE102007044063A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Merkel; Walter Sproll
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2010-03-18
Anticipated expiration: 2027-09-15
Also published as: DE102007044063A1

Abstract

Nachführbare solarthermische Anlage mit einem Kollektorfeld (17) mit Parabolrinnen (2) und zu einem Kreislauf für ein Medium geschlossenen Absorberrohren (3) mit folgenden Merkmalen:
– das Kollektorfeld (17) weist einen die Parabolrinnen (2) aufnehmenden Rahmen (1) auf, welcher lösbar gefügt ist,
– das Kollektorfeld (17) ist in die Parabolrinnen (2) aufnehmende Felder unterteilt, in welche die Parabolrinnen (2) aus Spiegelmodulen (12) lösbar gefügt sind,
– das Kollektorfeld (17) ist mittels einer Befestigung (7) über einen eine Drehung und Neigung übertragenden Bügel (15) mit einem eine Drehung auf das Kollektorfeld (17) übertragenden und um ein inneres Ständerrohr (18) drehbar geführten äußeren Ständerrohr (19) sowie mit einer die Neigung des Kollektorfelds (17) bewirkenden und in einer Mutter (16.2) laufenden Gewindespindel (16.1) verbunden, wobei die Drehung des Kollektorfelds (17) von einem ersten Getriebestrang (20) und die Neigung des Kollektorfelds (17) von einem zweiten Getriebestrang (16) bewirkt wird,
– die elektrischen...

Description

Die Erfindung betrifft eine nachführbare solarthermische Anlage zur wirtschaftlichen Erzeugung von Wärme aus Sonnenenergie, umfassend ein der einstrahlenden Sonnenenergie gesteuert nachführbares Kollektorfeld mit Parabolrinnen und Absorberrohren, die einfach an ein vorhandenes Brauchwassersystem angeschlossen werden kann.
Es sind Anlagen gemäß der DE 195 02 070 A1 bekannt, die sowohl elektrische Energie als auch Wärme erzeugen, die allgemein als Solaranlagen bezeichnet werden. Die Beheizung, Warmwasser- und Stromversorgung von Gebäuden mittels Solarenergie beschreibt die DE 100 48 035 A1 als ein komplexes Beispiel.
Demgegenüber will sich die Erfindung allein auf die wirtschaftliche Umwandlung der Sonnenenergie in Wärme konzentrieren.
Die eingangs genannten Solaranlagen sind herkömmlich oft auf Hausdächern fest montiert und nehmen je nach Dachausrichtung und Sonnenstand nur einen Bruchteil der Sonnenenergie auf.
Je nach Dachausrichtung und Beschaffenheit sind aufwändige konstruktive Maßnahmen für den Bau solcher Anlagen erforderlich, um die Ausbeute der Sonnenenergie zu erhöhen.
Aufgrund des festen Aufbaus des Systems besteht bei hoher Sonneneinstrahlung die Gefahr der Überhitzung des Mediums. Aus Sicherheitsgründen eines üblichen Druckbetriebs müssen dafür Druckschläuche, Überdruckventile sowie Ausdehnungsgefäße eingesetzt werden, Außerdem werden für die Aufrüstung sowie Nachrüstung große Brauchwasserspeicher mit Solaranschlüssen und entsprechender Regelung benötigt.
Bei diesem hohen Aufwand von Material und Lohnkosten ist somit nur bedingt ein wirtschaftlicher Einsatz einer Solaranlage möglich.
Es besteht bei der Entwicklung von thermischen Solaranlagen die allgemeine Anforderung, den Bauaufwand zu senken und die Sonnenenergie effizienter zu nutzen.
Zu diesem Zweck wurden dem Sonnenstand nachführbare Parabolrinnenspiegelkollektoren bekannt, wie sie in der DE 77 26 548 U1 offenbart sind.
Die DE 10 2005 002 932 B3 zeigt eine Solaranlage als bekannt, die über einen Wärmetauscher in ein Brauchwassersystem eingekoppelt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nachführbare solarthermische Anlage zu schaffen, die einfach zu montieren und ohne großen Aufwand in ein vorhandenes Brauchwassersystem integrierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Das Kollektorfeld wird nach einem baukastenartigen Modulprinzip zusammengesetzt.
Technologisch günstig wird das Kollektorfeld mit einem die Parabolrinnen aufnehmenden Rahmen lösbar gefügt, wobei

– das Kollektorfeld in die Parabolrinnen aufnehmende Felder unterteilt ist,
– der Rahmen aus Profilen und Profillaufschienen mit seitlichen Profillaufschienen besteht,
– der Rahmen die Parabolrinnen aufnehmende und lösbar zugefügte Winkelprofile und T-Profile aufweist,
– der Rahmen an den seitlichen Profillaufschienen angebrachte Schellen zur Befestigung der Absorberrohre aufweist,
– die Parabolrinnen aus Spiegelmodulen zusammengesetzt sind,
– die Spiegelmodule aus Parabolbetten und Kleinparabolspiegeln bestehen,
– das Parabolbett aus Hartschaum geformt ist und/oder
– der Kleinparabolspiegel aus einer auf das Parabolbett klemmbaren Spiegelfolie bzw. einem hochreflektierenden Aluminiumspiegel geformt wird.

Zur Wärmeübertragung des Kreislaufs des vom Kollektorfeld als Vorlauf ablaufenden und des zum Kollektorfeld als Rücklauf zulaufenden Mediums ist ein Wärmetauscher an einen Kreislauf eines vorhandenen Brauchwassersystems angeschlossen.
Für den drucklos betriebenen Kreislauf des vom Kollektorfeld als Vorlauf ablaufenden und zum Kollektorfeld als Rücklauf zulaufenden Mediums sind eine kleiner offener Behälter mit der Tauchpumpe und ein Rückschlagventil vorgesehen.
Zweckmäßig wird der kleine offene Behälter für die Tauchpumpe am äußeren Ständerrohr angebracht.
Die solarthermische Anlage wird für die Nachführung so mechanisiert, dass das Kollektorfeld mittels der Befestigung über einen die Drehung und Neigung übertragenden Bügel mit einem die Drehung des Kollektorfelds übertragenden und um ein inneres Ständerrohr drehbar geführten äußeren Ständerrohr sowie mit einer die Neigung des Kollektorfelds übertragenden und in einer Mutter laufenden Gewindespindel verbunden ist. Dabei werden die Drehung des Kollektorfelds von einem ersten Getriebestrang und die Neigung des Kollektorfelds von einem zweiten Getriebestrang übertragen.
Der erste Getriebestrang umfasst einen ersten Getriebemotor mit Schnecke und das äußere Ständerrohr mit Zahnkranz. Der zweite Getriebestrang umfasst einen zweiten Getriebemotor mit Schnecke und die Gewindespindel mit Zahnkranz.
Mit Hilfe einer elektronischen Steuerung wird eine optimale Sonnenstandsnachführung und somit ein hoher Wirkungsgrad mit geringem technischem Aufwand sichergestellt.
Die solarthermischen Anlage umfasst eine vom jeweiligen Standort des Kollektorfelds in der Zeit vom Sonnenaufgang bis zum Sonnenuntergang unabhängige Steuerung des Parabolrinnen und Absorberrohre aufweisenden Kollektorfelds mit

a) einer nach dem C-MOS-Logik-System wirkenden analogen und digitalen Elektronik welche von darin integrierten, verschiedenen Sensorgruppen ausgehende und in die analoge und digitale Elektronik eingehende Signale einer Helligkeitsmessung und Sonnenstands-Überwachung für eine Drehung und/oder Neigung des Kollektorfelds auswertet,
b) einem nachgeschalteten Verstärker, der diese Signale zum Antrieb einer Drehbewegung und/oder Neigung des Kollektorfelds für eine zu einer senkrechten Einstrahlung der Sonnenenergie zum Kollektorfeld führenden Ausrichtung des Kollektorfelds verwendet, um eine optimale Ausrichtung des Kollektorfelds auf die Sonne zu erreichen und
c) Signale eines ersten Temperatursensors für eine analoge Regelung der Durchflussmenge des in einem Kreislauf vom Kollektorfeld als Vorlauf ablaufenden und zum Kollektorfeld als Rücklauf zulaufenden Mediums auswertet, um diese Signale zur analogen Regelung einer Tauchpumpe zu verwenden.

Die Regelung wird dahingehend ausbaufähig, dass

a) ein Wärmetauscher zur Übertragung der Wärme des Kreislaufs des vom Kollektorfeld als Vorlauf ablaufenden und des zum Kollektorfeld als Rücklauf zulaufenden Mediums an einen Kreislauf eines vorhandenen Brauchwassersystems verwendet wird und
b) von einem zweiten Temperatursensor Signale des zum Kollektorfeld als Rücklauf zulaufenden Mediums für eine Zweipunktregelung zur Zu-/Abschaltung der Wärmeübertragung an den Kreislauf des vorhandenen Brauchwassersystems verwendet werden.

Im Einzelnen werden die verschiedenen Sensorgruppen für folgende Funktionen eingesetzt:

– Eine erste Sensorgruppe zur Helligkeitsmessung,
– eine zweite Sensorgruppe zur Drehung des Kollektorfeldes,
– eine dritte Sensorgruppe zur Feineinstellung, Sonnenstandsüberwachung und/oder der Drehung,
– eine vierte Sensorgruppe zur Neigung des Kollektorfeldes und/oder
– eine fünfte Sensorgruppe zur Feineinstellung, Sonnenstandsüberwachung und/oder der Neigung.

Die Drehung des Kollektorfelds und die Neigung des Kollektorfelds kann mittels der analogen und digitalen Elektronik koordiniert zweiachsig gesteuert werden.
Das Kollektorfeld kann bei ungenügender Sonneneinwirkung, vor Sonnenaufgang und/oder nach Sonnenuntergang mittels der analogen und digitalen Elektronik in eine Startposition gefahren werden, um z. B. morgens erneut schnellstmöglich seine exakte Ausrichtung zu finden.
Sinnvollerweise kann die analoge und digitale Elektronik mittels eines Umschalters von Hand- in Automatikbetrieb und von Automatik- in Handbetrieb geschaltet werden
Mit der Regelung sind verschiedene Varianten von Nachführungen und Ausrichtungen realisierbar, wie z. B.:

– In einer Ausbildung wird in einer Startphase der Anlage mittels der für die Neigung des Kollektorfelds verantwortlichen vierten Sensorgruppe das Kollektorfeld so geneigt, dass es annähernd senkrecht zur Einstrahlung der Sonnenenergie steht.
– In einer anderen Ausbildung wird in einer Startphase der Anlage mittels der für die Neigung des Kollektorfelds verantwortlichen vierten Sensorgruppe und der für die Drehung des Kollektorfelds verantwortlichen zweiten Sensorgruppe das Kollektorfeld so koordiniert und dreidimensional ausgerichtet, dass es annähernd senkrecht zur Einstrahlung der Sonnenenergie steht.
– Für den Normalbetrieb der Anlage wird das Verfahren so vervollkommnet, dass mittels der den Sonnenstand überwachenden dritten Sensorgruppe die Drehung und/oder mittels der den Sonnenstand überwachenden fünften Sensorgruppe die Neigung des Kollektorfelds in zweiachsiger, exakter Ausrichtung erfolgt.
– Die Regelung kann in Kombination sämtlicher Regelungsschritte mittels der verknüpfenden analogen und digitalen Elektronik so optimiert werden, dass durch die darin eingehenden Signale der für die Drehung des Kollektorfelds verantwortlichen zweiten Sensorgruppe und die den Sonnenstand überwachenden dritten Sensorgruppe und für die Neigung des Kollektorfelds verantwortlichen vierten Sensorgruppe und die den Sonnenstand überwachenden fünften Sensorgruppe das Kollektorfeld exakt der Sonnenbahn nachführbar wird.
– Mittels der die Signale der ersten Sensorgruppe für die Helligkeitsmessung, der zweiten, dritten, vierten und fünften Sensorgruppe für die eigentliche Nachführung verarbeitenden analogen und digitalen Elektronik kann die Ausrichtung des Kollektorfelds ständig auf eine senkrechte Einstrahlung der Sonnenenergie automatisch überwacht werden, wobei das Kollektorfeld dann entsprechend nachgeführt wird, wenn – so auch nach starker Wolkenbildung mit anschließender Aufhellung – die Einstrahlung der Sonnenenergie vom Brennpunkt des Kollektorfelds wieder abweicht.
– Bei Überhitzung des Solarkreislaufes kann das Kollektorfeld aus dem Brennpunkt gefahren werden.

Das Kollektorfeld ist durch den Rollladen abdeckbar, wenn die Anlage außer Betrieb ist, wobei dieser sinnvoll oben am Rahmen angeordnet wird. Der Rollladen wird motorisch betrieben.
Dadurch, dass in einer denkbaren Kombination der erfindungsgemäßen Merkmale, wie

a) ein Rahmen, der das Kollektorfeld umfasst, mehrere parallel angeordnete Parabolrinnen aus mehreren Spiegelmodulen und Absorberrohren, die zu einer starren Einheit lösbar gefügt sind,
b) das Kollektorfeld einachsig senkrecht zur Drehung und einachsig waagerecht zur Neigung für eine dreidimensionale Ausrichtung angeordnet ist,
c) das Kollektorfeld eine erste Sensorgruppe, zweite Sensorgruppe, dritte Sensorgruppe, vierte Sensorgruppe und fünfte Sensorgruppe zur koordinierten Helligkeitsmessung, Nachführung und zur Überwachung des Sonnenstands aufweist,
d) das Kollektorfeld eine auswertende analoge- und digitale Elektronik für eine zweiachsige Ausrichtung des Kollektorfelds auf eine senkrechte Einstrahlung der Sonnenenergie besitzt,
e) eine elektronische Wirkverbindung zwischen der ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Sensorgruppe besteht und
f) ein Anschluss des Kreislaufs des Kollektorfelds über einen Wärmetauscher an ein Brauchwasserversorgungssystem vorgesehen ist,

Die Spiegelkollektoren wie Parabolrinnen werden so einsetzbar, dass das gesamte Spektrum der Sonnenenergie fokussiert auf die Absorberrohre gelenkt wird. Die Spiegelfläche kann dabei nur maximal 3 Quadratmeter betragen. Größere Flächen, die aufwändige konstruktive Maßnahmen erfordern und die Anlage im Vergleich zu den bisherigen auf dem Markt befindlichen Kollektoren verteuern würden, werden unnötig und somit wirtschaftlich uninteressant.
Die erfindungsgemäße Solaranlage kann für 2 bis 6 Personenhaushalte problemlos auf Hausdächern, an Giebeln, Garagen und in Gärten installiert werden. Hervorzuheben ist, dass herkömmliche, bestehende Brauchwasserspeicher genutzt werden können und keine Eingriffe in bestehende Warmwasser- bzw. Heizungssysteme erforderlich sind. Das einfach aufgebaute und demnach preiswerte, nach dem Baukasten- und Modulprinzip zusammensetzbare System kann selbst im Eigenbau montiert und installiert werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen
1 die Draufsicht auf ein erfindungsgemäß aus Parabolrinnen 2 gefügtes Kollektorfeld 17 mit Absorberrohren 3,
2 die Seitenansicht des Kollektorfelds 17 mit geschnitten dargestellten Spiegelmodulen 12 nach 1,
3 die Drauf- und Seitenansichtansicht eines einzelnen Kleinparabolspiegels 13 im einzelnen Parabolbett 14,
4 die Seitenansicht des neig- und schwenkbaren Kollektorfelds 17
5 ein Prinzipschaltbild der solarthermische Anlage und deren Zuordnung an ein vorhandenes Brauchwassersystem und
6 ein Blockschaltbild der verfahrensgemäßen Steuerung und Regelung der solarthermischen Anlage.
Gemäß 1 besitzt die solarthermische Anlage mit einem Kollektorfeld 17 einen, die Parabolrinnen 2 aufnehmenden Rahmen 1, welcher lösbar gefügt und in die Parabolrinnen 2 aufnehmende Felder unterteilt ist. Der Rahmen 1 ist aus handelsüblichen Profilen 4 aus Aluminium zusammengesteckt. Der Rahmen 1 nimmt die Parabolrinnen 2 mittels lösbar gefügter wie zusammensteckbarer Winkelprofile 10 und T-Profile 11 entsprechend 2 auf.
Am Rahmen befinden sich Profillaufschienen 5 und seitliche Profillaufschienen 8, die Schellen 9 zur Befestigung von Absorberrohren 3 aufweisen. Dadurch ist eine einfache Einstellung der Absorberrohre 3 auf den Brennpunkt der einzelnen Parabolrinnen 2 möglich.
In 1 und 2 ist angedeutet, dass die Parabolrinnen 2 aus Spiegelmodulen 12 lösbar gefügt sind. Dabei ist nach 3 das Parabolbett 14 aus Hartschaum mit entsprechendem Kleinparabolspiegel 13 geformt.
Entsprechend diesem Grundaufbau können der Rahmen 1 und seine benannten Bestandteile im Sinne eines Leichtbaus schnell und günstig zusammengefügt werden.
Es ist hervorzuheben, dass nicht die einzelnen Parabolrinnen 2 auf die senkrechte Sonneneinstrahlung ausgerichtet werden, sondern das gesamte Kollektorfeld 17 mit Rahmen 1 als ein starres, aber lösbares System von Parabolrinnen 2, welches als Kollektorfeld, wie unten beschrieben, neig- und schwenkbar ausgebildet ist. Damit entfallen derartige antriebstechnische Elemente für die Parabolrinnen 2, wie sie im Stand der Technik dargestellt wurden.
In der Nacht und bei ungenügender Sonneneinstrahlung wird das Kollektorfeld 17 mit den Parabolrinnen 2 durch einen am Rahmen 1 angebrachten Rollladen 6 abgedeckt und so gegen Verschmutzung geschützt. Der Rollladen 6 wird durch einen in 6 symbolisch dargestellten Motor 37 angetrieben.
2 zeigt die Seitenansicht des Kollektorfelds 17 mit den einzelnen Spiegelmodulen 12, den Absorberrohren 3 und einer Befestigung 7 des Kollektorfelds 17 an einem in 4 dargestellten Bügel 15.
Die Anbringung des Kollektorfelds 17 ist so gewählt, dass bei einer etwa 45°-Stellung des Kollektorfelds 17 eine Balance besteht. Dadurch können Befestigung 7 und Antriebstechnik mit vertretbarem Aufwand ausgeführt werden.
Gemäß 3 ist die Vorder- und Seitenansicht des einzelnen Spiegelmoduls 12 dargestellt, welches aus dem in dem Parabolbett 14 wiederum lösbar eingesetzten Kleinparabolspiegel 13 besteht. Es können hier für die Kleinparabolspiegel 13 Industriespiegel aus Edelstahl, Aluminium oder Spiegelfolien mit einem Gesamtreflexionsgrad von über 90% eingesetzt werden, deren Außeneinsatz sich allgemein schon bewährt hat.
Um nachteilige Verformungen der Kleinparabolspiegel 13 und deren aufwendige Fertigung jeglicher Art zu vermeiden, können die Spiegelgrößen mit einer Breite von etwa 0,2 bis 0,3 m eingesetzt werden. Dabei ist es sinnvoll, als Parabolbett 14 Blöcke aus dem schon erwähnten Hartschaumstoff zu formen.
Besonders vorteilhaft ist, dass bei den erfindungsgemäß lösbar zusammengesetzten Parabolrinnen 2 der aus dem Stand der Technik bekannte Nachteil, wonach große Parabol-Spiegelflächen mit entsprechenden Auflagebetten äußerst kompliziert und nur mit hohem Kostenaufwand herzustellen sind, hinsichtlich der nachteiligen Folgen wie Brennpunktverzerrungen und Stabilitätsprobleme erfindungsgemäß hier vermieden werden.
Durch die erfindungsgemäßen, lösbar gefügten Parabolrinnen 2 werden somit Fertigungs- und physikalisch-optische Probleme auf ein Optimum minimiert.
Somit ist für den Fachmann nachvollziehbar, dass die aus einzelnen Kleinparabolspiegeln 13 und Parabolbetten 14 zusammengesetzten Spiegelmodule 12 sehr einfach in das Kollektorfeld als Parabolrinnen 2 in eine Halterung mit den Winkeln 10 und T-Profilen 11 eingesetzt oder ausgetauscht werden können.
Die praktikable Größe der einzelnen Spiegelmodule 12 ermöglicht auch die Zusammenstellung beliebiger Größen von Spiegelflächen.
Aufgrund des relativ geringen Gewichts eines derart gefügten Kollektorfelds 17 entfallen aufwendige konstruktive Maßnahmen.
In 4 ist die Seitenansicht des neig- und schwenkbaren Kollektorfelds 17 dargestellt. Das Kollektorfeld 17 ist mittels der Befestigung 7 über den Bügel 15 mit einem die Drehung des Kollektorfelds 17 übertragenden und um ein inneres Ständerrohr 18 drehbar geführten äußeren Ständerrohr 19 sowie mit einer die Neigung des Kollektorfelds 17 übertragenden und in einer Mutter 16.2 laufenden Gewindespindel 16.1 verbunden. Die Drehung des Kollektorfelds 17 wird von einem ersten Getriebestrang 20, aufweisend einen in 7 schematisch dargestellten ersten Getriebemotor 35 mit einer nicht dargestellten Schnecke und einem am äußeren Ständerrohr 19 befestigtem Zahnkranz 20.1 übertragen. Die Neigung des Kollektorfelds 17 wird von einem zweiten Getriebestrang 16, aufweisend einen zweiten in 7 schematisch dargestellten zweiten Getriebemotor 36 mit einer nicht dargestellten Schnecke und der in der Mutter 16.2 laufenden Gewindespindel 16.1 mit nicht bezeichnetem Zahnkranz übertragen.
Das innere Ständerrohr 18 kann entweder auf einer geeigneten Platte mit Flansch oder mit Schellen z. B. an Hausgiebeln befestigt werden. Darüber wird das drehbare äußere Ständerrohr 19 mit Kugellagern geführt, an welchem gemäß 4 der für die Neigung schwenkbare und die Drehung für das Kollektorfeld übertragende Bügel 15 angebracht ist. Der erste Getriebestrang 20 zur Drehung des Kollektorfelds verhindert zugleich ein versehentliches Verstellen der Drehbewegung infolge der Hemmung zwischen dem Zahnkranz 20.1 und nicht dargestellter Schnecke zum ersten Getriebemotor 35, wobei letzterer als Getriebe-Gleichstrommotor für eine langsame Drehbewegung sorgt.
An dem drehbaren äußeren Ständerrohr 19 ist das Kollektorfeld 17 mittels des schwenkbaren Bügels 15 derart gelenkig angebracht, dass mit der Gewindespindel 16.1 die gewollte senkrechte Ausrichtung des Kollektorfelds 17 auf die Sonnenstrahlen erfolgen kann. Der zweite Getriebestrang 16 kann auf einer entsprechend der Neigung mitschwenkenden nicht bezeichneten Platte gelagert sein.
Außerdem dient das drehbare äußere Ständerrohr 19 zur Aufnahme eines kleinen offenen Behälters 22, in der sich eine Tauchpumpe 23 entsprechend 5 befindet. Mit dieser regelbaren Tauchpumpe 23 erfolgt die bedarfsweise Förderung des Mediums über ein Rückschlagventil 21 an die Absorberrohre 3 des Kollektorfelds 17.
5 zeigt nun das Prinzipschaltbild der Funktion der solarthermischen Anlage und deren problemlose Anbindung an ein vorhandenes Brauchwassersystem, und zwar in der durch einen Wärmetauscher 25 vermittelten und zusammengeführten Wirkung von Solar- und Brauchwasserkreislauf.
Beginnend mit den aus 1 und 2 ersichtlichen Absorberrohren 3, die im Kollektorfeld 17 in Reihe geschaltet sind, bildet das obere, vom Kollektorfeld 17 ablaufende Absorberrohr 3 einen Zulauf für den Wärmetauscher 25 bei einem vorhandenen Warmwasserspeicher. Der Rücklauf vom Wärmetauscher 25 führt in den kleinen offenen Behälter 22, in dem sich die Tauchpumpe 23 befindet. Diese drückt das Medium durch ein Rückschlagventil 21 in das untere, zum Kollektorfeld zulaufende Absorberrohr 3. Somit bildet der Kreislauf des Mediums ein offenes, druckloses System. Bisher übliche Drucksicherheitsschläuche, Sicherheitsventile und Ausdehnungsgefäße können somit entfallen.
Weiterhin ist in 5 eine analoge Regelung 23.1 dargestellt, die mittels eines ersten Temperatursensors 23.2, welcher an dem vom Kollektorfeld 17 ablaufenden Absorberrohr 3 angebracht ist, die Temperatur des Mediums erfasst und die Drehzahl der Tauchpumpe 23 in Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums regelt.
Darüber hinaus wird eine, im nicht bezeichneten Brauchwasserkreislauf vorhandene Umwälzpumpe 24 über eine Zweipunktregelung 24.1 mittels eines zwischen dem Wärmetauscher 25 und am Zulauf zum kleinen offenen Behälter 22 angebrachten zweiten Temperatursensors 24.2 in Abhängigkeit von einer als Führungsgröße einstellbaren Temperatur geregelt. Selbstverständlich wird die Umwälzpumpe nur dann in Betrieb gesetzt, wenn die Brauchwassertemperatur niedriger ist, als die eingestellte Führungsgröße.
In 5 ist ein zusätzlicher weiterer Temperatursensor nicht dargestellt, da vor Ort geklärt werden muss, ob der vorhandene Brauchwassersensor dafür verwendet werden kann.
In 6 ist die Steuerung und Regelung der solarthermischen Anlage als Blockschaltbild zusammengefasst dargestellt.
Da erfindungsgemäß die Ausrichtung des Kollektorfelds 17 unabhängig vom Standort erfolgen soll, kann ein kostenaufwendiges computergestütztes, wie bei Großanlagen übliches Nachführen des Kollektorfelds 17 entfallen. Ebenfalls entfällt eine zeitabhängige Steuerung, da sie vom Standort abhängig ist.
Deshalb setzt die Erfindung eine Schaltung aus C-MOS-Logikbaugruppen und Operationsverstärkern ein. Diese bewirkt bei entsprechender Sonneneinstrahlung ein automatisches Suchen der optimalen Ausrichtung des Kollektorfelds 17.
Im Block der analogen und digitalen Elektronik 31 werden Signale

– einer ersten Sensorgruppe 26 für eine Helligkeitsmessung,
– einer zweiten Sensorgruppe 27 für eine Drehung des Kollektorfelds,
– einer dritten Sensorgruppe 28 für eine Feineinstellung, Sonnenstandsüberwachung und/oder Drehung des Kollektorfelds,
– einer vierten Sensorgruppe 29 für eine Neigung des Kollektorfelds und
– einer fünften Sensorgruppe 30 für eine Feineinstellung, Sonnenstandsüberwachung und/oder Neigung des Kollektorfelds

Die analoge und digitale Elektronik 31 gibt über einen Verstärker 34, zu dem auch die vom ersten Temperatursensor 23.2 aufgenommenen Werte und geregelten Signale der analogen Regelung der Tauchpumpe 23 einlaufen, die Steuersignale für

– den ersten Getriebemotor 35 des ersten Getriebestrangs 20 zum Antrieb der Drehung des Kollektorfelds 17,
– den zweiten Getriebemotor 36 des zweiten Getriebestrangs 16 zum Antrieb der Neigung des Kollektorfelds 17,
– den Motor 37 zum Antrieb des Rollladens 6 und
– einen Motor 38 zum Antrieb der Tauchpumpe 23.

Mit einem Pfeil ist ein Anschluss einer Spannungsversorgung 33 der Elektronik angedeutet, und ein Umschalter 32 gestattet eine Umschaltung zwischen Hand- und Automatikbetrieb und umgekehrt.
Durch die optimal angebrachten ersten bis fünften Sensorgruppen 26–30 und der analogen und digitalen Elektronik 31 werden die Funktionen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der solarthermischen Anlage, wie

– laufende Überwachung des Sonnenstands und erforderliche Nachführung des Kollektorfelds 17, vom Sonnenaufgang bis zum Sonnenuntergang,
– Zweiachsige Drehung und Einstellung des Winkels des Kollektorfelds 17 zur Sonne,
– exakter Verlauf des Kollektorfelds 17 nach der Sonnenbahn,
– Nachlaufen des Kollektorfelds 17 in Richtung Sonne nach starker Wolkenbildung mit anschließender Aufhellung,
– Fahren in eine Ausgangsposition und Schließen des Rollladen 6 bei ungenügender Sonneneinwirkung sowie nachts,
– temperaturabhängige Regelung der Tauchpumpe 23 und
– Fahren des Kollektorfelds 17 aus dem Brennpunkt bei Überhitzung

Eine einfache als Vergleicher wirkende Zweipunktregelung 24.1 und der zweite Temperatursensor 24.2 am Ausgang des Wärmetauschers 25 regeln die vorhandene Umwälzpumpe 24 zwischen einem vorhandenen Kessel und dem vorhandenen Warmwasserspeicher, wenn die Temperatur der Solaranlage höher ist, als die Brauchwassertemperatur.
Es ist somit kein Eingriff in eine vorhandene Heizungselektronik erforderlich. Außerdem erfordert die Erfindung keine elektrische und keine mediumtechnische Verbindung zwischen den Kreisläufen einer vorhandenen Heizung und der solarthermischen Anlage.
Die gesamte auswertende Elektronik befindet sich als analoge und digitale Elektronik 31 in einem Block. Über den kontaktlosen Verstärker 34 wird die gesamte Antriebstechnik gesteuert bzw. geregelt.
Der Umschalter 32 sorgt für eine Wahl von Hand- in Automatikbetrieb und umgekehrt. Außerdem können alle Motoren 36–38 über Taster auf ihre Funktionen überprüft werden. Die Spannungsversorgung 33 mit z. B. 12 V kann über einen kleinen nicht dargestellten Pufferakku erfolgen. Die minimale Stromaufnahme (im mA Bereich) kann somit über ein Solarmodul oder ein kleines Netzteil realisiert werden.
Schließlich werden bei der elektrischen Anlage die Sicherheitsbestimmungen SELV (Schutzkleinspannung) und Schutzart IP 64 problemlos eingehalten.
Die erfindungsgemäße solarthermische Anlage selbst, deren Steuerung und Regelung und die Übertragung der Wärme in das bestehende Brauchwassersystem schafft Vorteile, weil

– ein Brauchwasserspeicher mit getrenntem Solaranschluss nicht erforderlich ist und
– die Übertragung der Wärme in das bestehende Brauchwassersystem einfach und kostengünstig durch den Wärmetauscher 25 realisiert und der Wärmetauscher 25 dem bestehenden Kreislauf Kessel-Brauchwasserspeicher zugeordnet werden kann.

Der scheinbare Nachteil der Erwärmung des Kessels kehrt sich zum Vorteil, da

– dieser sich nicht abkühlt,
– wodurch sich in diesem kein Schwitzwasser bildet,
– deshalb keine die Kesselwand angreifende (Schwefel-)Säure entstehen kann und
– die Lebensdauer des Kessels erhöht wird.

Bei der Anwendung der Erfindung ist es vorteilhaft, dass die Parabolrinnen 2 fest im Rahmen 1 angeordnet sind, d. h. dass nur das Absorberrohr 3 bei horizontaler sowie vertikaler Verstellmöglichkeit einmal justiert werden muss. Beim Austausch einer Parabolrinne 2 ist keine Justierung erforderlich, da nur die Spiegelmodule 12 entsprechend ihrer Zusammenfügbarkeit zu ersetzen und anzubringen sind.
Bei üblichen Flächen des Kollektorfelds 17 bis max. 3 m² und entsprechenden Gleichstromgetriebemotoren (200 mA) für die Getriebestränge 16, 20 ist der Energieaufwand verhältnismäßig gering.
Eine teure Ansteuerelektronik und Schrittmotoren entfallen zu Gunsten der einfachen analogen und digitalen Elektronik 31, wodurch die günstigen Getriebestränge 16, 20 einsetzbar werden.
Gemäß der Erfindung erfolgt eine zweiachsige Ausrichtung des Kollektorfelds 17 vom Sonnenaufgang bis zum Sonnenuntergang. Da das Kollektorfeld 17 und sein Dreh- und Neigungssystem eine Einheit bilden, sind nur kurze Schlauchverbindungen oder elektrische Verbindungen erforderlich.
Der Rollladen 6 verhindert eine Verschmutzung des Kollektorfelds 17 außerhalb der Betriebszeit, und das gesamte Sonnenspektrum kann während der Betriebszeit ohne Glasscheiben ausgenutzt werden.
Da das erfindungsgemäße Umlaufsystem des Mediums offen ist, entfallen Hochdruckleitungen und eine dementsprechende Sicherheitstechnik.
Durch die in kleinen Modulen ausgeführten und geformten Parabolbetten 14 aus Hartschaumstoffen entfallen aufwendige technologische Arbeiten für sonst übliche metallene Aufnahmegestelle und Parabolspiegel.
Die automatische Nachführung des Kollektorfelds 17 ermöglicht eine vom Standort unabhängige Aufstellung. Damit entfallt auch jede Art von Einjustierung.
Der hohe Wirkungsgrad und der einfache modulartige und preiswerte Aufbau der erfindungsgemäßen Anlage gewährleisten eine umfassende gewerbliche Verwendung.

1: Rahmen
2: Parabolrinne
3: Absorberrohr
4: Profil
5: Profillaufschiene
6: Rollladen
7: Befestigung
8: seitliche Profillaufschiene
9: Schelle
10: Winkelprofil
11: T-Profil
12: Spiegelmodul
13: Kleinparabolspiegel (Spiegelfolie)
14: Parabolbett
15: Bügel
16: zweiter Getriebestrang
16.1: Gewindespindel
16.2: Mutter
17: Kollektorfeld
18: inneres Ständerrohr
19: drehbares äußeres Ständerrohr
20: erster Getriebestrang
20.1: Zahnkranz
21: Rückschlagventil
22: kleiner offener Behälter
23: Tauchpumpe
23.1: analoge Regelung für Tauchpumpe
23.2: erster Temperatursensor (Tauchpumpe)
24: Umwälzpumpe
24.1: Zweipunktregelung für Umwälzpumpe
24.2: zweiter Temperatursensor (Umwälzpumpe)
25: Wärmetauscher
26: erste Sensorgruppe (Helligkeitsmessung)
27: zweite Sensorgruppe (Drehung)
28: dritte Sensorgruppe (Drehung, Sonnenstandsüberwachung)
29: vierte Sensorgruppe (Neigung)
30: fünfte Sensorgruppe (Neigung, Sonnenstandsüberwachung)
31: analoge Elektronik und digitale Elektronik
32: Umschalter zwischen Hand- und Automatikbetrieb
33: Spannungsversorgung
34: Verstärker
35: erster Getriebemotor zum Antrieb der Drehbewegung
36: zweiter Getriebemotor zum Antrieb der Neigung
37: Motor zum Antrieb des Rollladens
38: Tauchpumpenmotor

Claims

Nachführbare solarthermische Anlage mit einem Kollektorfeld (17) mit Parabolrinnen (2) und zu einem Kreislauf für ein Medium geschlossenen Absorberrohren (3) mit folgenden Merkmalen: – das Kollektorfeld (17) weist einen die Parabolrinnen (2) aufnehmenden Rahmen (1) auf, welcher lösbar gefügt ist, – das Kollektorfeld (17) ist in die Parabolrinnen (2) aufnehmende Felder unterteilt, in welche die Parabolrinnen (2) aus Spiegelmodulen (12) lösbar gefügt sind, – das Kollektorfeld (17) ist mittels einer Befestigung (7) über einen eine Drehung und Neigung übertragenden Bügel (15) mit einem eine Drehung auf das Kollektorfeld (17) übertragenden und um ein inneres Ständerrohr (18) drehbar geführten äußeren Ständerrohr (19) sowie mit einer die Neigung des Kollektorfelds (17) bewirkenden und in einer Mutter (16.2) laufenden Gewindespindel (16.1) verbunden, wobei die Drehung des Kollektorfelds (17) von einem ersten Getriebestrang (20) und die Neigung des Kollektorfelds (17) von einem zweiten Getriebestrang (16) bewirkt wird, – die elektrischen Antriebe der Getriebestränge (16, 20) werden von einem C-MOS-Logik-System gesteuert, und – die solarthermische Anlage ist über einen Wärmetauscher (25), an den Kreislauf eines vorhandenen Brauchwassersystems angeschlossen.
Solarthermische Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den drucklos betriebenen Kreislauf des vom Kollektorfeld (17) als Vorlauf ablaufenden und zum Kollektorfeld (17) als Rücklauf zulaufenden Mediums ein kleiner offener Behälter (22) mit einer Tauchpumpe (23) und ein Rückschlagventil (21) vorgesehen sind.
Solarthermische Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kleine offene Behälter (22) am äußeren Ständerrohr (19) angebracht ist.
Solarthermische Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Getriebestrang (20) einen ersten Getriebemotor (35) mit Schnecke und das äußere Ständerrohr (19) mit Zahnkranz umfasst.
Solarthermische Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Getriebestrang (16) einen zweiten Getriebemotor (36) mit Schnecke und die Gewindespindel (16.1) mit Zahnkranz umfasst.
Solarthermische Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (1) aus Profilen und mit seitlichen Profillaufschienen (5,8) gefügt ist, wobei der Rahmen (1) die Parabolrinnen (2) aufnehmende und lösbar zugefügte Winkelprofile (10) und T-Profile (11) sowie an den seitlichen Profillaufschienen (8) angebrachte Schellen (9) zur Befestigung und Feineinstellung der Absorberrohre (3) aufweist.
Solarthermische Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelmodule (12) aus Parabolbetten (14) und Kleinparabolspiegeln (13) lösbar gefügt sind, wobei die Parabolbetten (14) aus Hartschaum geformt sind.
Solarthermische Anlage nach Anspruche 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kleinparabolspiegel (13) aus einer auf die Parabolbetten (14) klemmbaren Spiegelfolie oder aus Alu-Spiegeln geformt sind.
Solarthermische Anlage nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kleinparabolspiegel (13) als Module einfach aus- und einfach einfügbar sind.
Solarthermische Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kollektorfeld (17) durch einen Rollladen (6) abdeckbar ist.
Solarthermische Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rollladen (6) am Rahmen (1) angeordnet ist.
Solarthermische Anlage nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rollladen (6) durch einen Motor (37) antreibbar ist.
Solarthermische Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass deren Steuerung folgende Baugruppen umfasst: a) eine nach dem C-MOS-Logik-System wirkende, Signale einer Helligkeitsmessung und Sonnenstandsüberwachung für eine Drehung und/oder Neigung des Kollektorfelds (17) auswertende analoge und digitale Elektronik (31) mit integrierten ersten bis fünften Sensorgruppen (26, 27, 28, 29 und 30), b) einen nachgeschalteten, die Antriebe einer Drehbewegung und/oder Neigung des Kollektorfelds (17) für eine senkrechte Einstrahlung der Sonnenenergie zum Kollektorfeld (17) steuernden Verstärker (34) und c) einer mit dem nachgeschalteten Verstärker verbundenen, diesem Signale zuführenden, die Durchflussmenge im Solarkreislauf in Abhängigkeit der Temperatur regelnden analogen Regelung (23.1) mit einem ersten Temperatursensor (23.2). e) eine vergleichende, mittels eines zweiten, die Temperatur am Ausgang des Wärmetauschers (25) messenden Temperatursensors (24.2), eine Umwälzpumpe (24) in Abhängigkeit einer einstellbaren Führungsgröße zu- und abschaltende Zweipunktregelung (24.1), wobei die Umwälzpumpe dann zuschaltbar ist, wenn die Brauchwassertemperatur kleiner als die eingestellte Führungsgröße ist.
Solarthermische Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der analogen und digitalen Elektronik (31) mit der integrierten – ersten Sensorgruppe (26), – zweiten Sensorgruppe (27), – dritten Sensorgruppe (28), – vierten Sensorgruppe (29) und – fünften Sensorgruppe (30) der Verstärker (34) nachgeschaltet ist, welcher steuerungsmäßig mit – einem Antrieb der Drehbewegung, – einem Antrieb der Neigung, – einem Antrieb des Rollladens (6) und – dem Tauchpumpenmotor (38) verbunden ist.