DE102014213061B4

DE102014213061B4 - Spiegelkragenset, Receiverrohr und Solarkollektor

Info

Publication number: DE102014213061B4
Application number: DE102014213061.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kuckelkorn
Original assignee: Rioglass Solar Holding SA
Current assignee: Rioglass Solar Holding SA
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2034-07-05
Also published as: DE102014213061A1

Abstract

Spiegelkragenset (100, 200) für Receiverrohre (1) mit einem Spiegelkragen (101), wobei der Spiegelkragen (101) wenigstens ein Aufhängemittel (103) und ein Spiegelelement (102) aufweist und mit einer Schwenkeinrichtung (120, 220), die mit dem Spiegelkragen (101) zum Bewegen des Spiegelkragens (101) koppelbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Spiegelkragenset für Receiverrohre mit einem Spiegelkragen, wobei der Spiegelkragen ein Aufhängemittel und ein Spiegelelement aufweist. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Receiverrohr mit einer Receiverrohrachse A₄, mit mindestens einem Absorberrohr und mit einem das Absorberrohr umgebenden Glashüllrohr, wobei an mindestens einem Ende des Receiverrohres ein das Glashüllrohr wenigstens teilweise umgebender Spiegelkragen angeordnet ist. Zudem betrifft die Erfindung einen Solarkollektor mit wenigstens zwei Receiverrohren, wobei die Receiverrohre jeweils ein Absorberrohr und ein das Absorberrohr umgebendes Glashüllrohr aufweisen, und mit einem solchen Spiegelkragenset.
Fokussierende oder konzentrierende solarthermische Anlagen sind Einrichtungen, die Solarstrahlung auf einem Absorber fokussieren und hierdurch Strahlungsenergie in nutzbare thermische Energie umwandeln. Diese Anlagen, auch Solarkollektoren genannt, finden häufig Einsatz bei der Stromerzeugung. Das Fokussieren der Solarstrahlung auf den Absorber erfolgt dabei über Konzentratoren. Konzentratoren werden meist durch optische Vorrichtungen, wie beispielsweise Parabol- oder Fresnelspiegel, gebildet. Die Parabolspiegel sind in der Regel als Rinnen ausgebildet, so dass die an diesen Parabolrinnen reflektierte Solartrahlung in einer Brennlinie konzentriert wird, in der folglich der Absorber angeordnet ist. Bei Parabolrinnenkollektoren wird der Absorber durch ein Absorberrohr gebildet, welches von einem Wärmeübertragungsmedium, beispielsweise ein Thermoöl, durchströmt wird und mittels Stützen in der Brennlinie der Parabolrinnen getragen wird. Ein Großteil der konzentrierten Solarstrahlung wird somit durch das Absorberrohr in thermische Energie umgewandelt und an das Wärmeübertragungsmedium abgegeben. Hierdurch können Temperaturen des Wärmeübertragungsmediums von mehreren hundert °C ermöglicht werden.
Der Wirkungsgrad solcher Solarkollektoren hängt dabei stark von dem Verhältnis zwischen der auf den Kollektor treffenden solaren Strahlungsenergie und der umgewandelten thermischen Energie ab. Je mehr Solarstrahlung auf das Absorberrohr konzentriert und in nutzbare Wärmeenergie umgewandelt werden kann, desto höher ist der Energieübertrag pro m² Parabolspiegel an das Wärmeübertragungsmedium und desto effektiver arbeiten die Solarkollektoren.
Um diesen Wirkungsgrad weiter zu steigern und damit auch die Rentabilität der Solarkollektoren zu erhöhen, gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Vorrichtungen und Herangehensweisen.
Um beispielsweise die thermischen Konvektionsverluste des heißen Absorberrohres an die kühle Umgebung zu minimieren, ist das Absorberrohr von einem lichtdurchlässigen Glashüllrohr umgeben. Dabei sind das Glashüllrohr und Absorberrohr an deren jeweiligen Enden über Verbindungselemente miteinander verbunden. Der zwischen dem Glashüllrohr und Absorberrohr gebildete und gasdicht verschlossene Zwischenraum ist für eine thermische Isolation des Absorberrohres evakuiert oder mit einem Gas gefüllt. Das Absorberrohr zusammen mit dem Glashüllrohr und den Verbindungselementen bilden dabei das Receiverrohr.
Um eine große Energieausbeute zu erzielen, weist der Solarkollektor und damit auch das Receiverrohr, eine möglichst große Länge auf. Aus Statik- und Festigkeitsgründen weisen solche Solarkollektoren jedoch nicht ein einziges langes Receiverrohr, sondern einen Receiverrohrstrang bestehend aus einer Vielzahl von einzelnen Receiverrohren auf. Diese Receiverrohre werden hintereinander angeordnet und an den Absorberrohren fest miteinander verbunden. In den Verbindungsbereichen zwischen den einzelnen Glashüllrohren greifen Stützen an, die die Receiverrohre und damit die Absorberrohre in der Brennlinie der Parabolrinnenkollektoren halten. Mit solchen zusammengesetzten Receiverrohren können sehr lange Solarkollektoren hergestellt werden.
In Folge von Sonneneinstrahlung und der damit einhergehenden stark erhöhten Temperatur dehnt sich jedoch das heiße Absorberrohr stärker aus, als das kühlere Glashüllrohr. Aus diesem Grund sind bei herkömmlichen Absorberrohren Dehnungsausgleichsstücke in den Verbindungsbereichen zwischen den Glashüllrohren vorgesehen. Diese Ausgleichsstücke bestehen in der Regel aus Metallbälgen, welche die Distanz zwischen den einzelnen Glashüllrohren überbrücken und unterschiedliche Längenausdehnungen kompensieren. Die Dehnungsausgleichsstücke werden zusätzlich durch Strahlungsschutzelemente, wie beispielsweise durch Aluminiumbleche, von der konzentrierten Solarstrahlung abgeschattet. Dadurch werden vor allem auch die Glas-Metall-Verbindungen vor zu hohen Temperaturgradienten geschützt.
Parabolrinnenkollektoren weisen jedoch durch die Halterung der Stützen und durch die Strahlungsschutzelemente optische Verluste in den Verbindungsbereichen der einzelnen Receiverrohre auf, da diese Bereiche für die Energieabsorption nicht zur Verfügung stehen. Durch diesen inaktiven Bereich gehen somit etwa 5 bis 6 % der von den Parabolspiegeln reflektierten Strahlung verloren.
Um die auf diese Bereiche treffende Strahlung ebenfalls für die Absorption durch die Absorberrohre nutzbar zu machen, werden in den Verbindungsbereichen sogenannte Spiegelkragen eingesetzt. Diese Spiegelkragen sind starre, wenigstens das Glashüllrohr teilweise umgebende Reflexionselemente, die die konzentrierte Solarstrahlung in Bereiche aktiver Absorberrohroberfläche reflektieren. Somit wird auch die ansonsten auf inaktive Verbindungsbereiche treffende Solarstrahlung für die Erwärmung des Absorberrohres und des Wärmeübertragungsmediums nutzbar. Solche Spiegelkragen sind beispielsweise aus der WO 2005/045329 A1 bekannt.
Um den Wirkungsgrad und damit die Effektivität der Solarkollektoren weiter zu steigern, werden diese in Nord-Süd-Ausrichtung aufgebaut und sind zusätzlich um eine in Nord-Süd-Richtung verlaufende Achse beweglich gelagert. Durch eine Schwenkbewegung um diese Achse werden die Parabolrinnen und die in der Brennlinie der Parabolrinnen befindlichen Receiverrohre dem Azimut der Sonne nachgeführt, so dass die von den Parabolspiegeln reflektierte Solarstrahlung auf die Receiverrohre fokussiert wird.
Jedoch treten trotz des Schwenkmechanismus gerade in den Morgen- und Abendstunden, sowie in den Herbst- und Wintermonaten, wenn die Sonne sehr nahe am Horizont steht, große Einfalls- und Ausfallswinkel der Solarstrahlung an den Parabolspiegeln auf. Die oben beschriebenen starren Spiegelkragen können die Strahlung dieser unterschiedlichen Einfallswinkel nicht optimal auf das Receiverrohr reflektieren, sondern lediglich für einen Einfallswinkel optimiert werden. Ein Teil der von den Parabolspiegeln reflektierten Solarstrahlung trifft somit weiterhin auf die Strahlungsschutzelemente der Dehnungsausgleichsstücke oder wird durch die starre Anordnung der Spiegelkragen nicht auf die Oberfläche der Absorberrohre reflektiert.
Durch diesen Umstand kann ein Anteil von 1–2% der von den Parabolspiegeln reflektierten Strahlung nach wie vor nicht zur Erwärmung der Absorberrohre und damit zur weiteren Energiegewinnung genutzt werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Spiegelkragen, ein Receiverrohr und einen Solarkollektor bereit zu stellen, die jeweils eine verbesserte Ausnutzung der einfallenden Solarenergie aufweisen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Spiegelkragenset gemäß Patentanspruch 1, einem Receiverrohr gemäß Patentanspruch 18 sowie einem Solarkollektor gemäß Patentanspruch 24.
Das erfindungsgemäße Spiegelkragenset für Receiverrohre umfasst einen Spiegelkragen, wobei der Spiegelkragen wenigstens ein Aufhängemittel und ein Spiegelelement aufweist. Das Spiegelkragenset ist durch eine Schwenkeinrichtung, die mit dem Spiegelkragen zum Bewegen des Spiegelkragens koppelbar ist, gekennzeichnet.
Durch die Schwenkeinrichtung wird mit dem Spiegelkragenset ein Spiegelkragen bereitgestellt, der beweglich ist und dessen Bewegungen im zusammengebauten Zustand mit den Bewegungen der Schwenkeinrichtung gekoppelt sind. Somit kann der Spiegelkragen mittels der Schwenkeinrichtung verstellt werden. Der Spiegelkragen kann beispielsweise an einem Receiverrohr angeordnet sein und ermöglicht die Einstellung unterschiedlicher Reflexionswinkel von Solarstrahlung. Die Position der Spiegelkragen kann an unterschiedliche Sonnenstände angepasst und somit der Wirkungsgrad der Solarkollektoren erhöht werden. Dieser Sachverhalt wird ausführlich im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Receiverrohr, beziehungsweise Solarkollektor erläutert.
Alle Komponenten des Spiegelkragensets können einzeln bereitgestellt oder auch teilweise vormontiert sein. Das Spiegelkragenset kann für die Erstausrüstung oder für die Neuausrüstung von Receiverrohren oder Solarkollektoren eingesetzt werden. Aufwändige Umbauarbeiten sind dabei nicht notwendig, so dass der Wirkungsgrad und damit die Rentabilität der Receiverrohre und damit auch der kompletten Solarkollektoren schnell und kostengünstig gesteigert werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführung des Spiegelkragensets ist die Bewegung des Spiegelkragens eine Schwenkbewegung. Insbesondere ist die Bewegung eine Schwenkbewegung um eine Schwenkachse A₁, die durch das wenigstens eine Aufhängemittel und parallel zu dem Spiegelelement verläuft. Der Spiegelkragen ist vorzugsweise schwenkbeweglich mittels wenigstens einem Aufhängemittel an einem Receiverrohr anbringbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Spiegelkragensets ist die Schwenkeinrichtung wenigstens teilweise an dem Spiegelkragen angeordnet. Die Bewegungen der Schwenkeinrichtung sind vorzugsweise unmittelbar auf den Spiegelkragen übertragbar, wodurch sehr präzise Bewegungen des Spiegelkragens ermöglicht werden. Handelt es sich bei der Bewegung um die vorteilhafte Schwenkbewegung, so können durch die direkte Verbindung zwischen Schwenkeinrichtung und Spiegelkragen sehr geringe Schwenkwinkeländerungen des Spiegelkragens realisiert werden.
Die erfindungsgemäße Schwenkeinrichtung kann durch zwei verschiedene Ausführungsformen realisiert werden.
In der ersten Ausführungsform weist die Schwenkeinrichtung des Spiegelkragensets ein Schubelement und ein Schwenkelement auf. Dabei ist das Schubelement mit dem Schwenkelement beweglich verbindbar, wodurch die Schwenkeinrichtung translatorische Bewegungen in rotatorische und insbesondere Schwenkbewegungen umwandeln kann. Dies bietet die Möglichkeit, eine Schwenkbewegung des Spiegelkragens durch eine translatorische Bewegung des Schubelements der Schwenkeinrichtung zu induzieren. Desweiteren können durch diese Verbindung die Bewegungen des Schubelements direkt und unmittelbar auf das Schwenkelement übertragen werden. Das Schubelement kann dabei eine beliebige Länge aufweisen, so dass eine Antriebs- oder Steuereinheit für die Schwenkeinrichtung entfernt von dem Spiegelkragen angeordnet werden kann. Dies erhöht wiederum die Flexibilität des Spiegelkragensets, das an beispielsweise beliebig langen Receiverrohren angeordnet werden kann.
Ebenfalls vorteilhaft ist eine Weiterbildung der ersten Ausführungsform, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Schwenkelement direkt an dem Spiegelkragen angeordnet ist.
Durch diese direkte Anordnung werden die Bewegungen des Schwenkelements unmittelbar auf den Spiegelkragen und insbesondere auf das Spiegelelement übertragen. Dies ermöglicht wiederum eine sehr präzise Steuerung des Spiegelelements. Desweiteren werden durch die direkte Anordnung komplexe und kostenintensive Verbindungsvorrichtungen zwischen der Schwenkeinrichtung und dem Spiegelkragen vermieden, so dass die Lebensdauer des Spiegelkragensets gesteigert wird.
Insbesondere vorteilhaft ist eine Weiterbildung der ersten Ausführungsform, in der das Schwenkelement an dem wenigstens einen Aufhängemittel des Spiegelkragens angeordnet ist.
Auch durch diese Ausführung wird eine präzise und zuverlässige Steuerung des Spiegelelements ermöglicht.
Vorteilhaft ist zudem eine Ausführung, in der das Schwenkelement als Schwenkbügel ausgebildet ist. Dabei weist der Schwenkbügel einen Bügelkopf und zwei Bügelschenkel auf und ist mit dem Bügelkopf an dem Schubelement und mit je einem Schenkel an einem Aufhängemittel des Spiegelkragens verbunden.
Ebenfalls vorteilhaft ist eine Weiterbildung der ersten Ausführungsform, bei dem die Schwenkeinrichtung ein Schubkurbelgetriebe ist, wobei das Schubelement derart mit dem Schwenkelement gekoppelt ist, dass durch eine translatorische Bewegung des Schubelements, das Schwenkelement und der Spiegelkragen um eine durch das wenigstens eine Aufhängemittel verlaufende Schwenkachse A₁ schwenkbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der ersten Ausführungsform erstreckt sich das Schubelement senkrecht zu der durch das wenigstens eine Aufhängemittel verlaufenden Schwenkachse A₁. Da die Schwenkachse A1 vorzugsweise senkrecht zur Receiverrohrachse A₄ angeordnet ist, kann das Schwenkelement parallel zum Receiverrohr angeordnet werden. Diese Anordnung von Schubelement und Spiegelelement ermöglicht eine weitestgehend verlustfreie Kraftübertragung vom Schubelement auf das Spiegelelement.
In einer ebenfalls vorteilhaften Ausführung weist das Spiegelkragenset eine Antriebseinrichtung auf, die an dem Schubelement anbringbar ist.
Mittels dieser Antriebseinheit ist das Schubelement translatorisch bewegbar. Die Antriebseinrichtung ist vorzugsweise an einem dem Spiegelkragen gegenüberliegenden Ende des Schubelements angeordnet. Somit kann die Steuerung der Schwenkeinrichtung von einem nahezu beliebigen Ort erfolgen, was die Flexibilität des Spiegelkragensets weiter erhöht. Desweiteren kann die Antriebseinrichtung entfernt von beispielsweise einem Receiverrohr angeordnet werden, so dass mögliche Temperatur- oder Strahlungsbelastungen minimiert werden. Dies erhöht wiederum die Lebensdauer der Antriebseinrichtung und damit des kompletten Spiegelkragensets. Das Schubelement ist vorzugsweise eine Schubstange. Die Antriebseinrichtung kann beispielsweise eine Zylinder-Kolben-Einrichtung sein.
In einer zweiten Ausführungsform der Schwenkeinrichtung umfasst diese eine Kulissenführung und einen Kulissenstein.
Die Kulissenführung und der Kulissenstein bilden zusammen die Kulissensteuerung. Vorzugsweise weist die Kulissenführung einen Schlitz, Steg oder eine Nut auf, in der oder dem der Kulissenstein zwangsgeführt wird. Somit können die Bewegungen des Kulissensteins auf die Kulissenführung übertragen werden. Die Übertragungsfunktion wird dabei durch den Verlauf der Kulissenführung, z.B. durch die Gestalt des Schlitzes, Stegs oder der Nut, bestimmt. Eine Kulissensteuerung ermöglicht einen effizienten, einfachen und exakt reproduzierbaren Bewegungsübertrag von dem Kulissenstein auf die Kulissenführung.
Die Schwenkeinrichtung mit der Kulissenführung und dem Kulissenstein besteht vorzugsweise aus Metall oder einer Metalllegierung.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der zweiten Ausführungsform ist die Kulissenführung an dem Spiegelkragen angeordnet. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Bewegungen des Kulissensteins mittels Kulissenführung direkt auf den Spiegelkragen übertragbar sind, was wiederum sehr präzise Bewegungen des Spiegelkragens ermöglicht.
Um die Steuerung des Spiegelkragens noch weiter zu optimieren, ist die Kulissenführung vorzugsweise direkt an dem Spiegelelement des Spiegelkragens angeordnet.
In einer ebenfalls vorteilhaften Weiterbildung der zweiten Ausführungsform des Spiegelkragensets weist der Spiegelkragen ein Führungselement auf, in oder an dem die Kulissenführung angeordnet ist. Dieses Führungselement ist dabei an dem Spiegelelement des Spiegelkragens angeordnet und hat mehrere Vorteile. Zum einen kann in dem Führungselement die Kulissenführung sehr platzsparend integriert werden, was beispielsweise durch direktes Einschneiden, z.B. eines Schlitzes mit der entsprechenden Übertragungsfunktion in das Führungselement ermöglicht wird. Desweiteren führt das Führungselement bei dem Anbau des Spiegelkragensets an ein Receiverrohr zu zusätzlichen Abschattungen der Verbindungsbereiche der Receiverrohre. Hierdurch werden insbesondere die Glas-Metall-Übergangsverbindungen zusätzlich vor Solarstrahlung und der damit einhergehenden Temperaturerhöhung geschützt.
Das Führungselement ist vorteilhafterweise wenigstens teilweise an dem Umfang des Spiegelelements angeordnet. Wird das Spiegelelement durch eine halbkreisförmige Scheibe oder halbkreisförmige Ringscheibe gebildet, so erstreckt sich das Führungselement wenigstens teilweise entlang der äußeren Randes des Spiegelelements.
Durch diese Anordnung ist das Führungselement in einer maximal zu der Schwenkachse des Spiegelkragens entfernten Position an dem Spiegelkragen angeordnet. Dies ermöglicht wiederum eine sehr präzise Steuerung des Spiegelkragens sowie einen maximalen Abschattungseffekt des Verbindungsbereiches nach Anbau des Spiegelkragensets an ein Receiverrohr.
Ebenfalls vorteilhaft ist eine Ausführung, in der das Führungselement an der Rückseite des Spiegelelements angeordnet ist. Durch diese Anordnung kann die Vorderseite des Spiegelelements vollständig für die Reflexion der einfallenden Solarstrahlung genutzt werden. Desweiteren werden durch diese rückseitige Anordnung die Abschattungseffekte der Verbindungsbereiche der Receiverrohre verbessert.
In einer Weiterbildung der zweiten Ausführungsform ist der Kulissenstein ein Führungspendel und die Kulissenführung ein Führungsschlitz. Durch den Führungsschlitz wird hierbei die Bewegung des Führungspendels in eine durch die Führungsschlitzgeometrie vorgegebene Bewegungsfunktion des beweglichen Spiegelkragens übertragen. Detaillierte Informationen zu der Schlitzgeometrie werden im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Solarkollektor erläutert.
Um die Bewegung des Führungspendels zuverlässig an den Führungsschlitz zu übertragen erstreckt sich das Führungspendel vorteilhafterweise durch den Führungsschlitz.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung weist das Führungspendel eine Pendelstange und ein Pendelgewicht auf. Damit kann die Schwenkeinheit durch Gravitationskraft ohne zusätzlichen Antrieb betrieben werden. Auch auf diesen Aspekt wird im Zusammenhang mit dem Solarkollektor näher eingegangen.
Die Erfindung betrifft auch ein Receiverrohr mit einer Receiverrohrachse A₄, mit einem Absorberrohr und mit einem das Absorberrohr umgebenden Glashüllrohr, wobei an mindestens einem Ende des Receiverrohres ein das Glashüllrohr wenigstens teilweise umgebender Spiegelkragen angeordnet ist wobei dieser Spiegelkragen beweglich angeordnet ist.
Der Spiegelkragen ist vorzugsweise am Receiverrohr angeordnet.
Durch die Beweglichkeit des Spiegelkragens kann der Winkel des Spiegelkragens zu dem Receiverrohr variiert werden, so dass die Stellung des Spiegelkragens an verschiedene Sonnenstände angepasst werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführung des Receiverrohres ist der Spiegelkragen mittels einer Schwenkeinrichtung verschwenkbar angeordnet.
Mittels dieser Schwenkeinrichtung kann die Bewegung des wenigstens einen Spiegelkragens gesteuert werden. Dies hat den Vorteil, dass die Position des Spiegelkragens stets an die jeweiligen Bedingungen, insbesondere Sonnenstände, angepasst und geändert werden kann, wodurch die Energieausbeute der Receiverrohre erhöht werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Receiverrohres weist der Spiegelkragen wenigstens ein schwenkbares Aufhängemittel und ein Spiegelelement auf und ist mittels der Schwenkeinrichtung zur Bewegung des Spiegelkragens gekoppelt.
Mittels des wenigstens einen Aufhängemittels ist der Spiegelkragen mit dem Receiverrohr schwenkbeweglich verbunden. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise über eine Manschette, die um das Ende des Receiverrohres angeordnet ist.
Insbesondere werden der Spiegelkragen und die Schwenkeinrichtung aus dem Spiegelkragenset der eingangs genannten Art gebildet. Somit gelten sämtliche Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des Spiegelkragensets gleichermaßen für das Receiverrohr mit angeordnetem Spiegelkragenset.
In einer ebenfalls vorteilhaften Ausführung des Receiverrohres ist der Spiegelkragen schwenkbar um eine Schwenkachse A₁ angeordnet, wobei die Schwenkachse A₁ senkrecht zu der Receiverrohrachse A₄ verläuft.
Diese Anordnung der Schwenkachse A₁ zu der Receiverrohrachse A₄ ermöglicht zum einen eine einfache Anordnung des Spiegelkragens an dem Receiverrohr und zum anderen eine optimierte Bewegung des Spiegelkragens bei unterschiedlichen und wechselnden Einfallswinkeln der Solarstrahlung.
Auch bei dem Receiverrohr mit angeordnetem Spiegelkragen weist das Spiegelelement vorzugsweise eine Vorder- und eine Rückseite auf, wobei die Reflexion der Solarstrahlung an der Vorderseite des Spiegelelements erfolgt. Diese Vorderseite weist vorzugsweise eine polierte Fläche auf, so dass die Reflexion der Strahlung ohne signifikante Verluste gewährleistet ist.
Vorteilhafterweise ist der Spiegelkragen in einem Winkelbereich von α = 0° bis α = 45°, bevorzugt in einem Winkelbereich von α = 10° bis α = 35° zu einem Lot auf der Receiverrohrachse A₄ schwenkbar. Der Winkelbereich bezieht sich dabei auf den Winkel zwischen der Vorderseite des Spiegelelements und dem Lot. Bei 0° steht die Vorderseite des Spiegelelements senkrecht auf der Receiverrohrachse A₄.
Desweiteren betrifft die Erfindung einen Solarkollektor mit wenigstens zwei Receiverrohren, wobei die Receiverrohre jeweils ein Absorberrohr und ein das Absorberrohr umgebendes Glashüllrohr aufweisen, mit wenigstens einem Spiegelkragenset gemäß der eingangs beschriebenen Art, wobei wenigstens ein Spiegelkragen des Spiegelkragensets in dem Verbindungsbereich zwischen den wenigstens zwei Receiverrohren angeordnet ist, mit wenigstens einem Solarstrahlung auf die Receiverrohre fokussierenden Konzentrator und mit wenigstens einer die Receiverrohre tragenden Stütze.
Solarkollektoren sind, wie eingangs geschildert, in einer Nord-Süd-Ausrichtung aufgebaut und beweglich gelagert, so dass die Ausrichtung der Konzentratoren an den Azimut der Sonne angepasst werden kann. Als Konzentrator wird insbesondere ein Parabolspiegel oder Parabolrinnenspiegel verwendet. Bei Solarkollektoren mit einem zusätzlich beweglich angeordneten Spiegelkragen kann zudem die Höhe des Sonnenstands berücksichtigt werden, was eine Wirkungsgradsteigerung und damit einhergehende Steigerung der Rentabilität von Solarkollektoren bewirkt.
Sämtliche Merkmale, Vorteile und Ausführungsformen die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Spiegelkragenset und Receiverrohr erläutert wurden gelten auch für den Solarkollektor mit integriertem Spiegelkragenset gleichermaßen.
Auch hier ist der Spiegelkragen über das wenigstens eine Aufhängemittel an beispielsweise dem Receiverrohr des Solarkollektors beweglich angeordnet. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise über eine Manschette oder das Strahlungsschutzelement, die in dem Verbindungsbereich der beiden Receiverrohre befestigt ist. Alternativ kann der Spiegelkragen an der Stütze der Receiverrohre angeordnet sein.
Die Ausrichtung der Spiegelkragen an die unterschiedlichen Sonnenstände kann in verschiedenen Zeitintervallen erfolgen. Zum einen kann die Ausrichtung der Spiegelkragen permanent an den Sonnenstand angepasst werden. Desweiteren sind auch stündliches oder dreimal jährliches Anpassungen geeignet. Bei einem dreimal jährlichen Anpassen ist insbesondere ein Winkel α in den Monaten März-Mai von ca. 25°, Juni-November von ca. 35° und Dezember-Februar von ca. 10° vorteilhaft. Wird die Ausrichtung der Spiegelkragen hingegen permanent oder stündlich an den Sonnenstand angepasst, so kann der Winkel α zwischen der Vorderseite des Spiegelelements und dem Lot auf der Receiverrohrachse A₄ durch die Funktion: α = 42,5° – β/2 beschrieben werden, wobei β den Winkel zwischen dem Lot und der einfallenden Solarstrahlung auf das Receiverrohr darstellt.
Weist der Solarkollektor ein Spiegelkragenset mit einer Schwenkeinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform auf, die ein Schwenkelement und ein Schubelement umfasst, so erstreckt sich das Schubelement entlang der Receiverrohrachse A₄. Gesteuert wird die Schwenkeinrichtung durch beispielsweise eine Antriebseinrichtung wie beispielsweise eine Hubvorrichtung, die an einem Ende des Solarkollektors angeordnet sein kann. Diese Hubvorrichtung führt zu einer Verschiebung des Schubelements entlang der Receiverrohrachse A₄. Durch die Kopplung von Schubelement und Schwenkelement wird die translatorische Bewegung in eine rotatorische Bewegung umgewandelt. Durch eine weitere Kopplung des Schwenkelements mit dem Spiegelkragen erfolgt letztendlich eine Schwenkbewegung des Spiegelkragens um die Schwenkachse A₁. Die Bewegung des Spiegelkragens durch die Schwenkeinrichtung erfolgt dabei stets derart, dass die voran beschriebenen Winkel α zwischen dem Lot auf der Receiverrohrachse A₄ und der Vorderseite des Spiegelelements eingestellt werden.
Weist der Solarkollektor ein Spiegelkragenset mit einer Schwenkeinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform auf, die einer Kulissenführung und einen Kulissenstein umfasst, so ist die Kulissenführung derart ausgebildet, dass diese die Bewegung des Kulissensteins mittels Übertragungsfunktion an den Spiegelkragen weitergibt, so dass das Spiegelelement zu dem Lot auf dem Receiverrohr die oben beschriebenen Winkelverhältnisse einnimmt. Diese, durch die Geometrie der Kulissenführung festgelegte Übertragungsfunktion, hängt dabei auch von der Größe der Spiegelkragen ab.
In einer vorteilhaften Ausführung werden die Kulissenführung durch einen Führungsschlitz und der Kulissenstein durch ein Führungspendel gebildet, wobei sich das Führungspendel durch den Führungsschlitz erstreckt.
Diese Ausführung hat den Vorteil, dass der komplette Schwenkmechanismus durch Gravitationskraft angetrieben und durch die Bewegung der Parabolrinne gesteuert ist. Eine zusätzliche Steuer- und Antriebseinrichtung oder aktive Verfahrvorrichtungen können entfallen. Somit wird ein Solarkollektor mit beweglichem Spiegelkragen bereit gestellt, der einen gesteigerten Wirkungsgrad bei gleichzeitig geringen zusätzlichen Kosten aufweist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Solarkollektors ist der Spiegelkragen mittels Aufhängemittel an der Stütze in dem Verbindungsbereich zwischen zwei Glashüllrohren angeordnet. Mittels dieser Anordnung können zusätzliche mechanische Belastungen des Receiverrohres durch die Bewegungen des Spiegelkragens vermieden werden.
In einer ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform ist die Schwenkeinrichtung wenigstens teilweise an der Stütze angeordnet. Durch eine Anordnung der Schwenkeinrichtung an der Stütze kann ebenfalls das Receiverrohr vor den Bewegungen und damit einhergehenden mechanischen Belastungen durch die Schwenkeinrichtung geschützt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Solarkollektors ist wenigstens teilweise um den Verbindungsbereich zwischen den wenigstens zwei Receiverrohren ein Strahlungsschutzelement angeordnet, an dem der Spiegelkragen mittels Aufhängemittel angeordnet ist.
Diese Anordnung der Spiegelkragen ermöglicht ebenfalls eine leichte und schnelle Montage der Spiegelkragen an dem Solarkollektor. Desweiteren kann somit ein einfaches Nachrüsten bereits bestehender Solarkollektoren realisiert werden, da beispielsweise teure Umbauarbeiten der Stützen nicht notwendig sind.
In einer ebenfalls vorteilhaften Ausführung des Solarkollektors ist wenigstens teilweise um den Verbindungsbereich zwischen den wenigstens zwei Glashüllrohren ein Strahlungsschutzelement angeordnet, an dem die Schwenkeinrichtung wenigstens teilweise angeordnet ist. Auch diese Anordnung ermöglicht eine leichte und schnelle Montage der Spiegelkragen an dem Solarkollektor.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Solarkollektors weist dieser wenigstens zwei Spiegelkragen auf, wobei die Bewegungen der Spiegelkragen mittels eines Schubelements der Schwenkeinrichtung synchronisiert sind.
Diese Ausführung hat den Vorteil, dass für den kompletten Solarkollektor lediglich eine Steuer- und Antriebeinheit, wie beispielsweise eine Hubvorrichtung, an einem Ende des Solarkollektors erforderlich ist. Durch die Verbindung der einzelnen Spiegelkragen untereinander werden somit alle Spiegelkragen synchron gesteuert.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Ausführungsformen des Spiegelkragensets, des Receiverrohres und des Solarkollektors werden anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1a das komplette Spiegelkragenset mit einer Schwenkeinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform,
1b den Spiegelkragen des Spiegelkragensets,
2a das Spiegelkragenset mit einer Schwenkeinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform,
2b den Spiegelkragen des Spiegelkragensets mit angeordnetem Führungselement,
3a das Receiverrohr mit angeordnetem Spiegelkragen und einer Schwenkeinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform,
3b das Receiverrohr mit angeordnetem Spiegelkragen und einer Schwenkeinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform,
3c das Receiverrohr mit angeordnetem Spiegelkragen und einer Schwenkeinrichtung der zweiten Ausführungsform in Seitenansicht,
4a einen Solarkollektor mit angeordnetem Spiegelkragen und Schwenkeinrichtung gemäß erster Ausführungsform,
4b einen Spiegelkragen des Solarkollektors aus 4a,
4c den Solarkollektor mit angeordnetem Spiegelkragen und Schwenkeinrichtung gemäß zweiter Ausführungsform,
4d den Spiegelkragen des Solarkollektors aus 4c,
5 ein Receiverrohr mit Spiegelkragenset analog 3c mit Schwenkwinkel α, und
6 Diagramme zur Erläuterung Wirkungsgradsteigerung der Solarkollektoren mit angeordnetem beweglichen Spiegelkragen für verschiedene Jahreszeiten.
In der 1a ist ein Spiegelkragenset 100 gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt, das an einer Manschette 105 befestigt ist. Das Spiegelkragenset 100 weist einen Spiegelkragen 101 und eine Schwenkeinrichtung 120 auf.
Der Spiegelkragen 101 weist wiederum ein Spiegelelement 102 und zwei Aufhängemitteln 103 beispielsweise in Form von Laschen auf. Aufgrund der perspektivischen Darstellung ist in der 1a lediglich ein Aufhängemittel 103 erkennbar. Ergänzend sei an dieser Stelle auf die 1b verwiesen.
Das Spiegelelement 102 ist als halbkreisförmige Ringscheibe ausgebildet und weist eine Vorderseite 102a und eine Rückseite 102b auf. Die Vorderseite 102a ist als reflektierende Seite für die einfallende Solarstrahlung ausgebildet und weist somit einen hohen Reflexionsgrad auf. An der Rückseite 102b des Spiegelelements 102 sind hingegen die Aufhängemittel 103 angeordnet, was ebenfalls in der 1b detaillierter dargestellt ist.
Der Spiegelkragen 101 ist mittels der Aufhängemittel 103 und mittels weiteren Befestigungsmitteln 104, wie beispielsweise Schrauben, Bolzen oder Nieten, an der Manschette 105 um eine Schwenkachse A₁ schwenkbeweglich befestigt. Die Schwenkachse A₁ erstreckt sich dabei durch die Aufhängemittel 103 und verläuft parallel zur Oberfläche des Spiegelelements 102. Mittels der Manschette 105 ist der Spiegelkragen 101 mit einem in der 1a nicht dargestellten Receiverrohr 1 verbindbar, was im Zusammenhang mit der 3a näher erläutert wird. Desweiteren weist die Manschette Durchführungsöffnungen 107 auf, die im Zusammenhang mit den 4b und 4d näher erläutert werden.
Um eine kontrollierte Schwenkbewegung des Spiegelkragens 102 um die Schwenkachse A₁ zu realisieren ist der Spiegelkragen 102 mit der Schwenkeinrichtung 120 verbunden.
Die Schwenkeinrichtung 120 weist ein Schubelement 121 und ein Schwenkelement 122 auf. In der ersten Ausführungsform des Spiegelkragensets ist das Schwenkelement 122 als Schwenkbügel ausgebildet und besteht aus einem Bügelkopf 123 und zwei Bügelschenkeln 124. Mittels des Bügelkopfs 123 ist das Schwenkelement 122 an dem Schubelement 121 und mittels den Bügelschenkeln 123 jeweils an einem Aufhängemittel 103 des Spiegelkragens 102 angeordnet. Die Befestigung des Bügelkopfes 123 an dem Schubelement 121 ist beispielsweise beweglich und erfolgt mittels Befestigungsmitteln 125, während die Befestigung der Bügelschenkel 123 an den Aufhängemitteln 103 starr ausgebildet ist.
Das Schubelement 121 ist als Schubstange ausgebildet und entlang einer Schubachse A₂ beweglich. Diese Schubachse A₂ erstreckt sich senkrecht zu der Schwenkachse A₁. Das Schubelement 121 ist derart mit dem Schwenkelement 122 und dem Spiegelkragen 102 gekoppelt, dass durch eine translatorische Bewegung der Schubstange 121 entlang der Achse A₂ eine rotatorische Bewegung des Spiegelkragens 102 um die Schwenkachse A₁ erfolgt.
In der 1b sind der Spiegelkragen 101 und das an dem Spiegelkragen 101 angeordnete Schwenkelement 122 mit Blick auf die Rückseite 102b des Spiegelkragens 101 dargestellt. Der Spiegelkragen 101 weist zwei Aufhängemittel 103 auf. Die Aufhängemittel 103 können direkt aus dem Spiegelkragen 101 umgeformt oder aber auch separat an diesem befestigt sein. Desweiteren weisen die Aufhängemittel 103 Durchführungen 106 auf, durch die die in der 1a dargestellten Befestigungsmittel 104 durchgeführt und so der Spiegelkragen 101 an beispielsweise der Manschette 105 (nicht in 1b dargestellt) beweglich befestigbar ist. Das Schwenkelement 122 kann an den Aufhängemitteln 103 unlösbar befestigt sein.
Das Schwenkelement 122 weist zwei Bügelschenkel 124 auf, wobei jeweils ein Bügelschenkel 124 an einem Aufhängemittel 103 angeordnet ist. Die Bügelschenkel 124 sind mit den Aufhängemitteln 103 verbunden. Alternativ können jeweils ein Bügelschenkel 124 und ein Aufhängemittel 103 einstückig ausgebildet und an dem Spiegelelement 102 befestigt sein. Alternativ können auch der Bügelschenkel 124, die Aufhängemittel 103 und der Spiegelkragen 102 zusammen einstückig ausgebildet sein.
An dem den Aufhängemitteln 103 weggerichteten Ende verlaufen die Bügelschenkel 124 parallel und mit dem geringsten Abstand zueinander. Dieser Bereich stellt den Bügelkopf 123 dar. In dem Bereich des Bügelkopfes 123 ist in jedem Schenkel 124 eine Durchführungsöffnung 126 angeordnet, durch die die Befestigungsmittel 125 (nicht in der 1b dargestellt) hindurchgeführt und somit das Schwenkelement 122 an dem Schubelement 121 (nicht in der 1b dargestellt) befestigbar ist.
In der 2a ist ein Spiegelkragenset 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht. Auch dieses Spiegelkragenset 200 besteht aus einem Spiegelkragen 101 und einer Schwenkeinrichtung 220.
Der Spiegelkragen 101 weist analoge Eigenschaften zu denen des in den 1a und 1b erläuterten Spiegelkragens 101 auf und besitzt somit ein Spiegelelement 102 und zwei Aufhängemittel 103. Aufgrund der perspektivischen Darstellung ist jedoch in der 2a lediglich ein Aufhängemittel 103 erkennbar. Ebenfalls analog zu der 1a ist der Spiegelkragen 101 mittels der Aufhängemittel 103 und mittels weiteren Befestigungsmitteln 104 an einer Manschette 105 um eine Schwenkachse A₁ schwenkbeweglich befestigt.
In der zweiten Ausführungsform des Spiegelkragensets 200 ist an dem Spiegelkragen 101 und insbesondere an dem Spiegelelement 102 zusätzlich ein Führungselement 221 angeordnet. Dieses Führungselement 221 erstreckt sich umfänglich um das Spiegelelement 102 entlang dessen radial äußerer halbkreisförmigen Kante. Das Führungselement 221 weist zudem einen Führungsschlitz 222 auf, auf den im Zusammenhang mit der Beschreibung der 2b näher eingegangen wird.
Durch den Führungsschlitz 222 erstreckt sich ein Führungspendel 223, wobei das Führungspendel eine Pendelstange 224 und ein Pendelgewicht 225 aufweist. Dabei ist das Pendelgewicht 225 an einem Ende der Pendelstange 224 befestigt. Das dem Pendelgewicht gegenüberliegende Ende des Führungspendels 223 ist schwenkbeweglich um eine Schwenkachse A₃ an der Manschette 105 angeordnet. Für diese schwenkbewegliche Anordnung ist um die Manschette 105 ein Klemmring 226 oder eine weitere Manschette 226 befestigt. Das Führungspendel 223 ist mit einem Ende an dem Klemmring 226 oder der Manschette 226 an der dem Führungsschlitz 222 zugewandten Seite schwenkbeweglich aufgehängt. Die Aufhängung kann beispielsweise mittels einer Klemmverbindung 227 realisiert werden.
Durch Schwenken des Führungspendels 223 erfolgt aufgrund des Ineinandergreifens von Führungspendel 223 und Führungsschlitz 222 eine Bewegungsübertragung von dem Führungspendel 223 auf den Spiegelkragen 101. Folglich wird durch ein Schwenken des Führungspendels 223 um die Achse A₃ ein Schwenken des Spiegelkragens 101 um die Achse A₁ induziert. Die Form des Führungsschlitzes 222 bestimmt maßgeblich die Übertragungsfunktion der Bewegung von dem Führungspendel 223 auf den Spiegelkragen 101.
In der 2b ist der Spiegelkragen 101 gemäß der zweiten Ausführungsform des Spiegelkragensets 200 mit Blick auf das Führungselement 221 und insbesondere auf den Führungsschlitz 222 dargestellt. Dieser Führungsschlitz 222 ist parabelförmig ausgebildet, wobei dessen Scheitelpunkt S den Punkt des Führungsschlitzes 222 mit dem geringsten Abstand zu dem Spiegelelement 102 darstellt. Weitere Informationen bezüglich des Führungsschlitzes 222 und dessen Funktionalität werden im Zusammenhang mit der 5 erläutert, auf die an dieser Stelle verwiesen sein soll.
In der 3a ist das in der 1a dargestellte Spiegelkragenset 100 gemäß der ersten Ausführungsform dargestellt, das an einem Ende 1a eines Receiverrohres 1 angeordnet ist. Das Receiverrohr 1 weist ein Absorberrohr 2 und ein das Absorberrohr 2 umgebendes Glashüllrohr 3 auf. Zwischen dem Absorberrohr 2 und dem Glashüllrohr 3 ist ein Ringraum 4 ausgebildet.
Die Befestigung des Spiegelkragensets 100 an dem Receiverrohr 1 und insbesondere an dem Glashüllrohr 3 erfolgt mittels der Manschette 105, wobei das Spiegelkragenset 100 an der Manschette 105 und die Manschette 105 wiederum an dem Receiverrohr 1 befestigt ist. Die Manschette 105 ist dabei nicht vollständig an dem Receiverrohr 1 angeordnet, sondern ragt in axialer Richtung des Receiverrohres 1 über dessen Ende 1a hinaus. Die Befestigung der Manschette 105 an dem Receiverrohr 1 erfolgt beispielsweise über eine Klemmverbindung.
Der Spiegelkragen 101 ist derart an der Manschette 105 und mittels Manschette 105 an dem Ende 1a des Receiverrohres 1 angeordnet, dass die Vorderseite 102a des Spiegelelements 102 von dem Ende 1a abgewandt ist.
Die Schubachse A₂ des Schubelements 121 verläuft in dieser zusammengesetzten Anordnung parallel zu der Receiverrohrachse A₄, während die Schwenkachse A₁ des Spiegelkragens 101 senkrecht zu der Achse A₄ angeordnet ist.
In der 3b ist das in der 2a dargestellte Spiegelkragenset 200 gemäß der zweiten Ausführungsform dargestellt, das an dem Ende 1a des Receiverrohres 1 angeordnet ist.
Die Befestigung des Spiegelkragensets 200 an dem Receiverrohr 1 und insbesondere an dem Glashüllrohr 3 erfolgt ebenfalls mittels der Manschette 105, wobei das Spiegelkragenset 200 an der Manschette 105 und die Manschette 105 wiederum an dem Receiverrohr 1 befestigt ist. Die Manschette 105 ist dabei nicht vollständig an dem Receiverrohr 1 angeordnet, sondern ragt in axialer Richtung des Receiverrohres 1 über dessen Ende 1a hinaus, was in der 3c detailliert veranschaulicht ist. Die Befestigung der Manschette 105 an dem Receiverrohr 1 erfolgt auch in der zweiten Ausführungsform des Spiegelkragensets beispielsweise über eine Klemmverbindung.
Der Spiegelkragen 101 ist derart an der Manschette 105 und mittels Manschette 105 an dem Ende 1a des Receiverrohres 1 angeordnet, dass die Rückseite 102b des Spiegelelements 102 dem Ende 1a zugewandt ist.
Die Schwenkachse A₃ des Führungspendels 223 verläuft in dieser zusammengesetzten Anordnung parallel zu der Receiverrohrachse A₄, während die Schwenkachse A₁ des Spiegelkragens 101 im rechten Winkel zu der Receiverrohrachse A₄ angeordnet ist.
In der 3c ist ein Receiverrohr 1 mit angeordnetem Spiegelkragenset 200 gemäß der zweiten Ausführungsform in Seitenansicht dargestellt. In dieser Abbildung wird ersichtlich, dass die Manschette 105 nicht vollständig um das Glashüllrohr 3 angeordnet ist, sondern in axialer Richtung des Receiverrohres 1 über das Ende 1a hinaus ragt. Der Spiegelkragen 101 ist dabei an dem dem Ende 1a des Receiverrohres 1 abgewandten Ende der Manschette 105 angeordnet.
Das Führungspendel 223 erstreckt sich von der um die Manschette 105 angeordneten zusätzlichen Manschette 226 senkrecht zu der Receiverrohrachse A₄ durch den Führungsschlitz 222 des Führungselements 221.
In der 4a ist ein vollständiger Sonnenkollektor 10 mit zwei Spiegelkragensets 100 gemäß der ersten Ausführungsform dargestellt. Der Sonnenkollektor 10 weist Konzentratoren 12 in Form von Parabolspiegeln 12 und einen mittels Stützen 13 in der Brennlinie dieser Parabolspiegel 12 angeordneten Receiverrohrstrang 11 auf. Der Receiverrohrstrang 11 wird aus mehreren Receiverrohren 1 gebildet, wobei die Receiverrohre 1 und insbesondere deren Absorberrohre 2 (nicht in der 4a dargestellt) miteinander fest verbunden sind. Die Parabolspiegel 12 und der Receiverrohrstrang 11 sind wiederum auf einer Haltevorrichtung 14 derart schwenkbeweglich um eine Achse A₅ gelagert, dass die Parabolspiegel 12 dem Azimut der Sonne nachgeführt werden können und es somit zu keinen Selbstabschattungseffekten der Spiegel 12 kommt.
Die Spiegelkragensets 100 sind jeweils an dem Ende 1a der Receiverrohre 1 angeordnet. Der eingekreiste und mit einem A gekennzeichnete Bereich ist in der 4b vergrößert dargestellt und zeigt das Spiegelkragenset 100 innerhalb des Sonnenkollektors 10 am Ende 1a.
Das für die Schwenkbewegung des Spiegelkragens 101 erforderliche Schubelement 121 verläuft parallel zu der Receiverrohrachse A₄ (nicht in der 4a dargestellt), auf der den Parabolspiegeln 12 abgewandten Seite und vollständig über die gesamte Länge L des Receiverrohrstranges 11. Dabei verbindet das Schubelement 121 sämtliche Spiegelkragen 101 des Sonnenkollektors 10 miteinander, so dass die Schwenkbewegung der Spiegelkragen 101 synchronisiert ist. Folglich können alle Spiegelkragen 101 synchron der Höhe des Sonnenstandes angepasst werden.
In der 4b ist der in der 4a mit A gekennzeichnete Bereich vergrößert dargestellt. Somit zeigt die 4b das Spiegelkragenset 100 der ersten Ausführungsform angeordnet an dem Ende 1a eines Receiverrohres 1, wobei die Manschette 105 den Verbindungsbereich zwischen den Receiverrohren 1 vollständig umschließt.
Das Receiverrohr 1 ist zum Fixieren in der Brennlinie der Parabolspiegel 12 (nicht in der 4b dargestellt) mit einer Stütze 13 verbunden. Die Verbindung zwischen der Stütze 13 und dem Receiverrohr 1 erfolgt beispielsweise lösbar über eine Schraubverbindung 15. Die Schraubverbindung 15 erstreckt sich durch die Manschette 105 und insbesondere durch die Durchführungsöffnungen 107 (nicht in der 4b dargestellt). Die Stütze 13 ist in axialer Richtung des Receiverrohres 1 mit Blick auf das Ende 1a hinter dem Spiegelkragen 101 angeordnet.
In der 4c ist ebenfalls ein vollständiger Sonnenkollektor 10 analog der 4a jedoch mit zwei Spiegelkragensets 200 gemäß der zweiten Ausführungsform und Stützen 16 dargestellt. Für eine detaillierte Merkmalsbeschreibung des Sonnenkollektors 10 wird somit auf die 4a verwiesen.
Die Stützen 16 sind an den Enden der Receiverrohre 1 angeordnet, an denen auch ein Spiegelkragenset 200 befestigt ist. Die übrigen Enden der Receiverrohre 1 werden durch Stützen 13 abgestützt. Die Spiegelkragensets 200 sind jeweils an dem Ende 1a der Receiverrohre 1 angeordnet. Der eingekreiste und mit einem B gekennzeichnete Bereich ist in der 4d vergrößert dargestellt und zeigt das Spiegelkragenset 200 innerhalb des Sonnenkollektors 10 am Ende 1a, auf den im Folgenden näher eingegangen wird.
In der 4d ist das Spiegelkragenset 200 der zweiten Ausführungsform angeordnet an dem Ende 1a eines Receiverrohres 1 dargestellt, wobei die Manschette 105 ebenfalls den Verbindungsbereich zwischen den Receiverrohren 1 vollständig umschließt.
Das Receiverrohr 1 ist zum Fixieren in der Brennlinie der Parabolspiegel 12 (nicht in der 4d dargestellt) mit einer Stütze 16 verbunden. Die Verbindung zwischen der Stütze 16 und dem Receiverrohr 1 erfolgt auch in der zweiten Ausführungsform beispielsweise lösbar über eine Schraubverbindung 15. Die Schraubverbindung 15 erstreckt sich durch die Manschette 105 und insbesondere durch die Durchführungsöffnungen. Die Stütze 16 ist in axialer Richtung des Receiverrohres 1 mit Blick auf das Ende 1a hinter dem Spiegelkragen 101 angeordnet. Die Stütze 16 ist dabei derart ausgebildet, dass der Spiegelkragen 101 und insbesondere das Führungselement 221 ungehindert durch diese Stütze 16 hindurch schwenken kann. Folglich ist der Abstand C der Innenflächen der Stützenpfeiler 17 größer oder gleich der Breite D des Spiegelkragens.
In der 5 ist das Spiegelkragenset 200 analog 3c mit Schwenkwinkel α dargestellt. Der Winkel α wird dabei durch ein auf der Receiverrohrachse A₄ stehendes Lot und der Vorderseite 102a des Spiegelelements 102 des Spiegelkragens 101 gebildet. Dieser Winkel α wird an die Höhe des Sonnenstands derart angepasst, dass vorzugsweise alle von dem Kollektor 12 (nicht in der 5 dargestellt) auf das Spiegelelement 102 treffende Solarstrahlen auf das Receiverrohr 1 reflektiert werden. Um den Spiegelkragen auszurichten ist in das Führungselement 221 ein parabelförmiger Führungsschlitz 222 eingebracht. In Folge einer Schwenkbewegung des Sonnenkollektors (nicht in der 5 dargestellt) um die Achse A₅ erfährt das Führungspendel 223 ebenfalls eine Schwenkbewegung um die Achse A₃. Folglich gleitet die Pendelstange 224 durch den Führungsschlitz 222 und führt somit zu einer Schwenkbewegung des Spiegelelements 102 um die Schwenkachse A₁, wodurch sich der Winkel α ebenfalls ändert. Verläuft das Führungspendel 223 durch den Scheitelpunkt S des Führungsschlitzes 222, so weist der Winkel α seinen größten Wert auf.
In der 6 sind die ermittelten optischen Mehrerträge in % im Tagesverlauf für die drei signifikanten Tage 21. März (Tagundnachtgleiche), 21. Juni (Sommersonnenwende) und 21. Dezember (Wintersonnenwende) aufgrund des erfindungsgemäßen beweglichen Spiegelkragensets 100 und 200 (durchgezogene Linie) und eines konventionell unbeweglichen Spiegelkragens (gestrichelte Linie) gegenüber zu einem Sonnenkollektor ohne Spiegelkragen dargestellt. Hierbei ist deutlich zu erkennen, dass der bewegliche Spiegelkragen zu jeder Jahreszeit eine signifikante Effizienzsteigerung gegenüber Receiverrohren ohne Spiegelkragen und auch gegenüber Receiverrohren mit unbeweglichem Spiegelkragen bewirkt. Aufgrund der sehr flachen Einfallswinkel in den Wintermonaten ist im Dezember die größte Effizienzsteigerung mit +2.1 % zu verzeichnen, wobei hier der Unterschied zwischen einem Sonnenkollektor mit konventionell unbeweglichem Spiegelkragen und dem erfindungsgemäßen Sonnenkollektor mit beweglichem Spiegelkragen am geringsten ausfällt.
Im dargestellten Diagramm für den 21. Juni ist erkennbar, dass der bewegliche Spiegelkragen gegenüber dem konventionell unbeweglichen Spiegelkragen den höchsten Mehrertrag bringt. Das ist insbesondere deshalb von Bedeutung, weil in den Sommermonaten die höchsten Einstrahlungen und damit auch die größten Erträge zu erwarten sind.
Bezugszeichenliste

1: Receiverrohr
1a: Ende des Receiverrohrs
2: Absorberrohr
3: Glashüllrohr
4: Ringraum
10: Sonnenkollektor
11: Receiverrohrstrang
12: Konzentrator/ Parabolspiegel
13: Stütze
14: Haltevorrichtung
15: Schraubverbindung
16: Stütze
17: Stützpfeiler
100: Spiegelkragenset
101: Spiegelkragen
102: Spiegelelement
102a: Vorderseite des Spiegelelements
102b: Rückseite des Spiegelelements
103: Aufhängemittel
104: Befestigungsmittel
105: Manschette
106: Durchführung
107: Durchführungsöffnung
120: Schwenkeinrichtung
121: Schubelement
122: Schwenkelement
123: Bügelkopf
124: Bügelschenkel
125: Befestigungsmittel
126: Durchführungsöffnung
200: Spiegelkragenset
220: Schwenkeinrichtung
221: Führungselement
222: Führungsschlitz
223: Führungspendel
224: Pendelstange
225: Pendelgewicht
226: Klemmring/ Manschette
227: Klemmverbindung
A₁: Schwenkachse
A₂: Schubachse
A₃: Schwenkachse
A₄: Receiverrohrachse
A₅: Schwenkachse
C: Abstand zwischen den Stützpfeilern
D: Breite des Spiegelkragens
L: Länge des Receiverrohrstrangs
S: Scheitelpunkt des Führungsschlitzes
α: Schwenkwinkel

Claims

Spiegelkragenset (100, 200) für Receiverrohre (1) mit einem Spiegelkragen (101), wobei der Spiegelkragen (101) wenigstens ein Aufhängemittel (103) und ein Spiegelelement (102) aufweist und mit einer Schwenkeinrichtung (120, 220), die mit dem Spiegelkragen (101) zum Bewegen des Spiegelkragens (101) koppelbar ist.
Spiegelkragenset (100, 200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkeinrichtung (120, 220) wenigstens teilweise an dem Spiegelkragen (101) angeordnet ist.
Spiegelkragenset (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkeinrichtung (120) ein Schubelement (121) und ein Schwenkelement (122) aufweist, wobei das Schubelement (121) mit dem Schwenkelement (122) beweglich verbindbar ist.
Spiegelkragenset (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwenkelement (122) an dem Spiegelkragen (101) angeordnet ist.
Spiegelkragenset (100) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwenkelement (122) an dem wenigstens einen Aufhängemittel (103) des Spiegelkragens (101) angeordnet ist.
Spiegelkragenset (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkeinrichtung (120) ein Schubkurbelgetriebe ist, wobei das Schubelement (121) derart mit dem Schwenkelement (122) gekoppelt ist, dass durch eine translatorische Bewegung des Schubelements (121) das Schwenkelement (122) und der Spiegelkragen (101) um eine durch das wenigstens eine Aufhängemittel (103) verlaufende Schwenkachse A₁ schwenkbar ist.
Spiegelkragenset (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Schubelement (121) senkrecht zu der durch das wenigstens eine Aufhängemittel (103) verlaufenden Schwenkachse A₁ erstreckt.
Spiegelkragenset (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, gekennzeichnet durch eine Antriebseinrichtung, die an dem Schubelement (121) anbringbar ist.
Spiegelkragenset (200) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkeinrichtung (220) eine Kulissenführung und einen Kulissenstein umfasst.
Spiegelkragenset (200) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kulissenführung an dem Spiegelkragen (101) angeordnet ist.
Spiegelkragenset (200) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kulissenführung an dem Spiegelelement (102) des Spiegelkragens (101) angeordnet ist.
Spiegelkragenset (200) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegelkragen (101) ein Führungselement (221) aufweist, in oder an dem die Kulissenführung angeordnet ist.
Spiegelkragenset (200) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (221) wenigstens teilweise an dem Umfang des Spiegelelements (102) angeordnet ist.
Spiegelkragenset (200) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelelement (102) eine Rückseite (102b) aufweist, an der das Führungselement (221) angeordnet ist.
Spiegelkragenset (200) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kulissenstein ein Führungspendel (223) und die Kulissenführung ein Führungsschlitz (222) ist.
Spiegelkragenset (200) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Führungspendel (223) durch den Führungsschlitz (222) erstreckt.
Spiegelkragenset (200) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungspendel (223) eine Pendelstange (224) und ein Pendelgewicht (225) aufweist.
Receiverrohr (1) mit einer Receiverrohrachse A₄, mit einem Absorberrohr (2) und mit einem das Absorberrohr (2) umgebenden Glashüllrohr (3), wobei an mindestens einem Ende des Receiverrohres (1) ein das Glashüllrohr (3) wenigstens teilweise umgebender Spiegelkragen (101) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegelkragen (101) beweglich angeordnet ist.
Receiverrohr (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegelkragen (101) mittels einer Schwenkeinrichtung (120, 220) verschwenkbar angeordnet ist.
Receiverrohr (1) nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegelkragen (101) wenigstens ein schwenkbares Aufhängemittel (103) und ein Spiegelelement (101) aufweist und mittels einer Schwenkeinrichtung (120, 220) zur Bewegung des Spiegelkragens (101) gekoppelt ist.
Receiverrohr (1) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegelkragen (101) schwenkbar um eine Schwenkachse A₁ angeordnet ist, wobei die Schwenkachse A₁ senkrecht zu der Receiverrohrachse A₄ verläuft.
Receiverrohr (1) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegelkragen (101) in einem Winkelbereich zwischen α = 0° bis α = 45° zu einem Lot auf der Receiverrohrachse A₄ schwenkbar um die Schwenkachse A₁ angeordnet ist.
Receiverrohr nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegelkragen (101) in einem Winkelbereich zwischen α = 10° bis α = 35° zu einem Lot auf der Receiverrohrachse A₄ schwenkbar um die Schwenkachse A₁ angeordnet ist
Solarkollektor (10) mit wenigstens zwei Receiverrohren (1), wobei die Receiverrohre (1) jeweils ein Absorberrohr (2) und ein das Absorberrohr (2) umgebendes Glashüllrohr (3) aufweisen, mit wenigstens einem Spiegelkragenset (100, 200) gemäß Anspruch 1, wobei wenigstens ein Spiegelkragen (101) des Spiegelkragensets (100, 200) in einem Verbindungsbereich zwischen zwei Glashüllrohren (3) angeordnet ist, mit wenigstens einem Solarstrahlung auf die Receiverrohre (1) fokussierenden Konzentrator (12) und mit wenigstens einer die Receiverrohre (1) tragenden Stütze (13, 16).
Solarkollektor (10) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegelkragen (101) wenigstens ein Aufhängemittel (103) und ein Spiegelelement (102) aufweist und mit einer Schwenkeinrichtung (120, 220) zur Bewegung des Spiegelkragens (101) gekoppelt ist.
Solarkollektor (10) nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegelkragen (101) mittels des Aufhängemittels (103) an der Stütze (13, 16) in dem Verbindungsbereich zwischen zwei Glashüllrohren (3) angeordnet ist.
Solarkollektor (10) nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkeinrichtung (120, 220) wenigstens teilweise an der Stütze (13, 16) angeordnet ist.
Solarkollektor (10) nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens teilweise um den Verbindungsbereich zwischen den wenigstens zwei Receiverrohren (1) ein Strahlungsschutzelement (105) angeordnet ist, an dem der Spiegelkragen (101) mittels Aufhängemittel (103) angeordnet ist.
Solarkollektor (10) nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch, wenigstens zwei Spiegelkragen (101), wobei die Bewegung der Spiegelkragen (101) mittels eines Schubelements (121) einer Schwenkeinrichtung (120) synchronisiert ist.