DE102016009577A1

DE102016009577A1 - Reflektor für die Konzentration von Solarstrahlung

Info

Publication number: DE102016009577A1
Application number: DE102016009577.6A
Authority: DE
Inventors: Dieter Seifert; Burkhard Seifert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-08-04
Filing date: 2016-08-04
Publication date: 2018-02-08

Abstract

Die Erfindung betrifft Reflektoren für die Konzentration von Solarstrahlung, die vielseitig nutzbar sind, die hohe ökologische Ansprüche erfüllen und die auch in sehr hoher Stückzahl für die weltweite Verbreitung als Element der nachhaltigen Entwicklung gefertigt werden können. Es handelt sich um Reflektoren die sich der Paraboloid-Form oder einer anderen gewünschten rotations-symmetrischen Form nähern und aus einzelnen ebenen Reflektorblechen hergestellt werden, wobei sie durch Stützringe mit einstellbarer Präzision geformt werden. Die Anwendung betrifft Solarkocher und andere Solarempfänger, wobei die Erfindung auch Verbesserungen in Bezug auf das Gestell und das Ausrichten der Solarempfänger auf den Sonnenstand umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft Reflektoren für die Konzentration von Solarstrahlung, die angenähert eine rotations-symmetrische Form haben und für deren Herstellung einzelne, ebene Reflektorbleche verwendet werden. Reflektoren, die angenähert eine Paraboloid-Form haben und aus ebenen Trapezblechen hergestellt werden, sind bereits in der Veröffentlichung von D. Seifert: „Neue Konzepte für nachgeführte PV-Generatoren und Solarkocher", Tagungsband 2, S. 1406–1413, 9. Internationales Sonnenforum 1994, DGS-Sonnenenergie Verlags-GmbH, München, beschrieben. Dabei werden die Reflektorbleche an Ringen geformt, die an steifen Streben befestigt sind. Diese Bauweise ist seither weit verbreitet und auch für große Reflektoren anwendbar. Sie ist allerdings mit großem Materialaufwand für die Reflektor-Struktur verbunden. Es sind auch Reflektoren bekannt, die durch seitliche Überlappung der Reflektorbleche und mehrfache Fixierungen im Überlappungsbereich die angenäherte Paraboloid-Form erhalten. Dabei entsteht allerdings eine hohe Empfindlichkeit des Reflektors gegen Stöße, die zu plastischen Verformungen führen können. Außerdem verursachen die Überlappungen einen Verbrauch an hochwertigem Reflektormaterial. In der Offenlegungsschrift DE 10 2010 034 448 A1 werden Vorteile durch die Vermeidung von Überlappung der Reflektorbleche im äußeren Teil des Reflektors gezeigt. Diese Offenlegungsschrift befasst sich mit kleinen Reflektoren für den Werkunterricht an Schulen. Für diese Anwendung ist mit den angegebenen Mitteln eine ausreichend genaue Formung des Reflektors zu erzielen.
Die Fortschritte beim Reflektormaterial, insbesondere durch dauerhaft beschichtetes Hochglanz-Aluminiumblech haben dazu geführt, dass die Lebensdauer von Reflektoren zur Anwendung im Freien besonders durch Verformungen begrenzt ist. Diese Schäden können beispielsweise beim Transport im montierten Zustand entstehen, oder wenn ein Solarkocher vom Wind umgeworfen wird. Diese Gefahr ist umso größer, je mehr zur Kosteneinsparung für ein geringes Solarkocher-Gewicht gesorgt wird. Der in der genannten Veröffentlichung „Neue Konzepte für nachgeführte PV-Generatoren und Solarkocher” beschriebene Solarkocher hat ein Gewicht von ca. 25 kg, während ein Solarkocher der erfindungsgemäßen Bauweise bei gleicher Reflektorgröße (1,4 m Durchmesser) nur ca. 9 kg wiegt.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Steigerung der Qualität und der Erleichterung der Herstellung auch großer Reflektoren und deren Tragstruktur für das Ausrichten der Reflektoren auf den Sonnenstand, um Defizite der bekannten Bauweisen zu überwinden. Diese Defizite betreffen vor allem den großen Aufwand beim Aufbau des Reflektors mit steifen Streben oder die unzureichende Präzision und Haltbarkeit beim Fehlen der steifen Streben.
Die erfindungsgemäßen Reflektoren sind durch den Einsatz in Solarempfängern vielseitig nutzbar und zeichnen sich durch wählbare Präzision aus, sie erfüllen hohe ökologische Ansprüche durch geringen Materialverbrauch, lange Lebensdauer und die Möglichkeit zum vollständigen Recycling, so dass sie auch in sehr hoher Stückzahl für die weltweite Verbreitung als Element der nachhaltigen Entwicklung gefertigt werden können. Es handelt sich unter Anderem um Reflektoren die angenähert die Form eines Paraboloids haben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Form beschränkt.
Bei der sehr großen Zahl von Solarkochern, die für einen Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung nötig sind, ist die Fertigung aus Bausätzen besonders vorteilhaft, wobei Strukturteile (Ständer, Teile der Topfhalterung) für Bausätze bevorzugt aus Blechtafeln gestanzt werden. Für die Herstellung von Strukturteilen aus Blechtafeln wird vorteilhaft das Knabber-Stanzen eingesetzt. Die Teile werden dabei nicht vollständig aus der Tafel abgetrennt, sondern es verbleiben Stege, so dass die Form der Tafel erhalten bleibt und die Bereitstellung und Verpackung der Teile erleichtert werden. Bisher ist es üblich, die Teile von der Tafel abzubrechen und die stehenbleibenden Stege abzuschlagen. Es wird eine Alternative zu dieser mit Verletzungsgefahren verbundenen Arbeit vorgestellt. Bei geringerer Blechdicke wird der Stanzprozess erleichtert und die Standzeit der Stanzwerkzeuge wird verlängert. Eine zu lösende Aufgabe war daher auch die Verringerung der Banddicke des Strukturmaterials.
Die Durchbiegung ist umgekehrt proportional zum Produkt aus Trägheitsmoment und Elastizitätsmodul. Es ist zwar naheliegend, bei Solarkochern mit einem Reflektordurchmesser von ca. 1,4 m Banddicken von ca. 5 mm zu verwenden, insbesondere wenn Aluminiumlegierungen als Strukturmaterial zum Einsatz kommen, weil die Steifigkeit bei gleicher Bandbreite mit der dritten Potenz der Banddicke zunimmt und die Steifigkeit eines Bandes aus Aluminium nur ca. ein Drittel der Steifigkeit eines Stahlbandes gleicher Abmessungen ist. Aber die große Banddicke erschwert die Herstellung, beim Zuschneiden der Bänder, beim Bohren bzw. Stanzen der Löcher und beim Biegen der Bänder. Es werden Lösungen für die Reduzierung der Dicke des Bandmaterials gezeigt, indem die Breite vergrößert und durch innere Streben die für die Verformung des Ständers maßgebende Länge, (die sich mit der dritten Potenz bei der Durchbiegung auswirkt), verkürzt wird.
Es besteht ein Bedarf an Solarkochern, die schnell und einfach aufgebaut und wieder demontiert und im zerlegten Zustand in kompakter Form leicht transportiert werden können. Die Erfindung kann auch für diese Aufgabe eingesetzt werden.
Eine weitere Aufgabe war die Sicherung eines dauerhaft hohen Wirkungsgrades. Auch bei hochwertigem Reflektormaterial muss befürchtet werden, dass der Reflektor deformiert wird und dann seine Funktion verliert. Die erfindungsgemäße Bauweise ermöglicht es, die vorteilhafte Reflektorform auch jahrzehntelang zu erhalten.
Auch für den Fall, dass der Reflektor zur Erzeugung hoher Temperaturen verwendet werden soll, beispielsweise zum Regenerieren von Adsorbentien oder für Latentwärme-Speicherung, bietet die Erfindung vorteilhafte Lösungen. Die Erzeugung hoher Temperaturen bei großer Leistung, verlangt große Reflektoren und Tragstrukturen für die Ausrichtung der Reflektoren und der Rezipienten, die erfindungsgemäß vorteilhaft bereitgestellt werden können.
Es ist das Ziel der Erfindung, die teilweise widersprüchlichen Anforderungen zu erfüllen, die sich unter Anderem aus der Forderung nach geringem Materialbedarf, genügender Präzision und Steifigkeit sowie hoher Lebendauer ergeben.
Für das Ausrichten des Reflektors auf die Sonne bietet die sogenannte VIAX-Nachführung Vorteile. Sie ist in der oben genannten Veröffentlichung dargestellt. Mit einer Anordnung einer Reihe parallel bewegter Reflektoren und Rezipienten können auch sehr große Leistungen und sehr hohe Temperaturen erzeugt werden.
Eine grundsätzliche Aufgabe besteht darin, die leichte Herstellung mit geringen Kosten, insbesondere bei hohen Stückzahlen zu ermöglichen. Die Aufgaben sind miteinander verbunden. Gelöst werden sie mit den in den Patentansprüchen beschriebenen Maßnahmen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht und zum Teil unmaßstäblich dargestellt. Es zeigen:
1: eine bevorzugte Ausführungsart eines erfindungsgemäßen Solarkochers in perspektivischer Darstellung;
2: zwei Reflektorbleche des Reflektors in perspektivischer Darstellung mit Beispielen für die Lage von Verbindungsstellen;
3: ein Beispiel für die Befestigung der Reflektorbleche am Tragring, in der Vorderansicht (a) und im Schnitt (b);
4 bis 7: vier Beispiele für die Verbindung eines Reflektorblechs mit einem Stützring im Schnitt (a) und in der Seitenansicht (b);
8: Schnitt und Seitenansicht eines Beispiels für eine Schraubverbindung zwischen Reflektorblech und Stützring;
9: Vorderansicht (a) und Schnitt (b) eines Beispiels für eine Klemmverbindung zur Verbindung von Enden des Stützrings;
10: Seitenansicht (a) und Draufsicht (b) eines Solarkochers mit Beispielen für die Sicherung gegen Umfallen;
11: die perspektivische Darstellung eines Ausschnitts aus einer Blechtafel für Strukturelemente des Gestells nach einer Knabber-Stanzung (a) und ein Werkzeug (b) zum gefahrlosen Entfernen der Stege;
12: eine Draufsicht (a) auf den Tragring, bestehend aus 4 verbundenen Teilen, und auf drei Stützringe mit Verbindungsstellen, sowie auf zwei gegenüber liegende Reflektorbleche mit Verbindungsstellen zum Tragring und den Stützringen, wobei in 13(b) die Beziehung zwischen dem Radius r der Verbindungsstelle und dem Radius (r + Δr) des Stützrings veranschaulicht ist;
13: Beispiele für zwei verschieden breite räumlich gekrümmte Reflektorbleche in der Vorderansicht (a) und (b), in der perspektivischen Ansicht (c) und (d), sowie im Schnitt (e) und (f) entlang eines Halterings;
14: ein Beispiel für einen Reflektor mit VIAX-Nachführung in Seitenansicht (a) und Rückansicht (b);
15: eine Seitenansicht und Draufsicht eines Beispiels für eine Anordnung von drei Reflektoren mit Rezipienten, die in der optischen Achse der Reflektoren montiert sind und mit den Reflektoren beim Ausrichten auf die Sonne bewegt werden. Für das Ausrichten der Reflektoren auf die Sonne ist eine VIAX-Nachführung dargestellt.
16: ein Beispiel für einen großen Reflektor, bei dem der äußere Teilreflektor (äußere Rosette) eine konische Form hat während der innere Teilreflektor Paraboloid-förmig ist. Der Rezipient befindet sich in der optischen Achse des Reflektors, wobei der Reflektor mit dem angebauten Rezipienten auf die Sonne ausgerichtet wird.
17: je ein Reflektorblech der inneren und der äußeren Reflektor-Rosette mit Verbindungspositionen zu den Stützringen und dem Tragring.
In 1 ist eine bevorzugte Ausführung eines erfindungsgemäßen Solarkochers in perspektivischer Darstellung zu sehen. Der angenähert Paraboloid-förmige Reflektor 1 besteht aus mehreren Reflektorblechen 2, die am äußeren Rand des Reflektors an einem Tragring 3 befestigt und an Verbindungsstellen 19 mit Stützringen 21 verbunden sind.
Der Aufbau des Reflektors aus Reflektorblechen, die bevorzugt als Trapezbleche ausgeführt sind, hat den Vorteil, dass die Reflektorbleche mit wenig Schnittverlust aus Tafeln geschnitten werden können, als Paket einen geringen Platzbedarf haben und einfach zu transportieren sind. Die Form der einzelnen Trapeze im aufgebauten Solarkocher entspricht in der Schnittebene durch die Mittellinie des Trapezes mit der erforderlichen Näherung einer Parabel y = r²/2p. Dabei ist y die Ordinate bei der Abszisse r (r = Abstand von der Parabelachse). Bei der bekannten SK-Bauweise ist der Parameter p ungefähr das 0,8-fache des Reflektor-Außenradius. Das bewirkt einen tiefgewölbten Reflektor mit im Reflektor versenktem Topf und ermöglicht lange Intervalle zwischen den Zeitpunkten, an denen ein Ausrichten des Reflektors auf die Sonne vorteilhaft ist.
Das Reflektorblech ist bei entsprechend nachgiebiger Befestigung nur teilweise räumlich gekrümmt, so dass der Reflektor keinen scharfen Brennpunkt hat, der sehr hohe lokale Temperaturen erzeugen könnte, sondern dass sich ein Brennbereich ausbildet. Dadurch wird verhindert, dass beim Solarkocher unerwünscht hohe Temperaturen entstehen, die eine Gefahr darstellen würden. Im Brennbereich ist der Rezipient (Topf, Pfanne etc.) angeordnet, so dass er möglichst die gesamte vom Reflektor reflektierte Strahlung empfängt. Die dabei im Topf erzeugbaren Temperaturen erlauben es, den Solarkocher vorteilhaft unter anderem auch zum Backen, Braten und Frittieren einzusetzen. Bei geringerer, aber auch bei höherer Konzentration der Solarstrahlung auf den Kocher-Rezipienten wäre die Anwendung beeinträchtigt.
Für den Fall, dass der Reflektor im Rezipienten höhere Temperaturen entwickeln soll, beispielsweise beim Einsatz zum Regenerieren von Adsorbentien, bei der Beladung von Latentwärme-Speichern und bei der Dampferzeugung, kann die Erfindung zu einer dazu erforderlichen höheren Konzentration der Solarstrahlung verhelfen.
Die Position der Reflektorbleche 2 im Bereich des Parabel-Scheitels wird durch die Befestigung mit der zentralen Schraube 9 gesichert. Diese kann in der Mitte des Tragbügels 10 befestigt werden.
Gemäß 1 sind die Reflektorbleche 2 erfindungsgemäß an Stützringen 21 befestigt. Die Stützringe befinden sich bevorzugt auf der Rückseite des Reflektors, um Abschattungen zu vermeiden. Die Zahl und der Durchmesser der Stützringe ergeben sich weitgehend aus der Größe und der gewünschten Präzision der Form und der gewünschten Stabilität des Reflektors 1. Wenn die Befestigung der Trapezbleche am Tragring 3 beziehungsweise an den Stützringen 21 nicht starr ist, werden die Trapezbleche nur in einer Ebene gekrümmt bleiben. Es werden jedoch auch erfindungsgemäße Befestigungen an den Stützringen beschrieben, die eine räumliche Krümmung der Reflektorbleche durch stärkere Anpassung an die Krümmung der Stützringe bewirken, so dass beispielsweise die Paraboloid-Form des Reflektors genauer angenähert werden kann.
Für die Herstellung der Stützringe 21 eignen sich bevorzugt Aluminium-Rundstangen beziehungsweise Aluminiumdraht mit 2 mm bis mehr als 8 mm Durchmesser, wobei die kleinen Rundstangen-Durchmesser für Reflektoren bis 1 m Durchmesser, und die großen Rundstangen-Durchmesser für Reflektoren mit Durchmessern über 1,4 m bevorzugt werden. Eine vorteilhafte Ausführung ist auch ein Stützring, der aus einem Drahtseil hergestellt wird. Die Drähte des Seils werden nicht plastisch verformt, so dass der Stützring mit höherer Krümmung mit dem Bausatz verpackt werden kann und sich bei der Montage weitgehend selbst formt. Für Reflektoren mit sehr hoher Lebensdauer können dünne Edelstahlseile empfehlenswert sein.
Bei großen Reflektoren kann es vorteilhaft sein, die Stützringe aus faserverstärkten Kunststoffröhren herzustellen. Dabei wird hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht erzielt, wobei es vorteilhaft ist, den Stützring beziehungsweise die Abschnitte des Stützrings möglichst genau vorzulegen, also nicht erst bei der Montage genauer zu formen. Auch Stützringe aus dünnen Metall-Rohren, beispielsweise Aluminium- oder Edelstahl-Rohre, können eingesetzt werden. Die Verbindung der Enden der Rohre ist dann durch Zapfen besonders leicht möglich.
Es ist günstig, vor allem den äußeren Teil des Reflektors durch Stützringe zu stützen. Für die Sicherung der Reflektorform sind Stützringe im inneren Bereich weniger nützlich. Bei kleinem Reflektor-Außendurchmesser (weniger als 1 m) ist ein Stützring im Allgemeinen ausreichend, während bei einem Reflektordurchmesser von 1,2 m und darüber mindestens zwei Stützringe vorteilhaft sind. Es sind aber auch wesentlich größere Reflektoren mit einer großen Zahl von Stützringen erfindungsgemäß realisierbar.
Die erfindungsgemäße Nutzung von Stützringen ermöglicht es, dünneres Reflektorblech einzusetzen und dadurch hochwertiges Material einzusparen. Ein Vorteil der Erfindung besteht auch darin, dass Blendung durch Reflexion der Solarstrahlung an Deformationen des Reflektors oder durch ungenaue Konzentration der Solarstrahlung auf den Rezipienten vermieden werden kann.
Es sind auch Reflektoren möglich, insbesondere für höhere Konzentrationen und größere Reflektordurchmesser, die aus einer inneren und einer äußeren Rosette oder aus mehr als zwei Rosetten bestehen. Bei diesen Reflektoren, bei denen also die äußeren Reflektorbleche nicht bis zum Scheitel reichen, ist eine Überlappung am Übergang der benachbarten Rosetten vorteilhaft, wobei die überlappten Reflektorbleche an einem Stützring oder am Tragring, falls dieser am Übergang angeordnet ist, gemeinsam befestigt werden.
Beim Solarkocher, der in der oben genannten Veröffentlichung „Neue Konzepte für nachgeführte PV-Generatoren und Solarkocher” dargestellt ist, werden die Reflektorbleche durch drei Stützringe geformt, die an bestimmten Stellen an steifen Streben befestigt sind. Diese Streben sind zwischen dem Tragring und einer Platte beim Scheitel des Reflektors angeordnet.
Im Gegensatz dazu sind die erfindungsgemäßen Stützringe 21 nur mit den Reflektorblechen 2 verbunden. Die Stützringe sorgen durch ihren Durchmesser und durch festgelegte Verbindungsstellen an den Reflektorblechen für die verbesserte und stabile Formung des Reflektors.
Bei einem Stoß auf den Reflektor kann dadurch die Stoßenergie vom gesamten Reflektor aufgenommen werden. Die elastisch aufnehmbare Verformungsarbeit ist daher sehr viel größer als bei einer weitgehend starren Anordnung. Gegenüber einer Bauweise ohne Stützringe hat die erfindungsgemäße Anwendung von Stützringen daher den Vorteil, dass starke plastische Verformungen der Reflektorbleche vermieden werden können.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die in der Offenlegungsschrift DE 10 2010 034 448 A1 beschriebene Anordnung der Reflektorbleche ohne Überlappung im äußeren Reflektorbereich besonders vorteilhaft genutzt werden kann. Denn die Stützringe 21 ermöglichen es, die Positionen der Verbindungsstellen 19 der einzelnen Reflektorbleche 2 im gesamten Bereich des Reflektors, auch über die gesamte Breite des Reflektorblechs, optimal zu wählen. Für die zeichnerische Darstellung ist in 1 angenommen, dass die Verbindungsstellen 19 an den Stützringen 21 auf der Mittellinie der Reflektorbleche liegen. Es sind jedoch erfindungsgemäß zusätzliche und alternative Stellen möglich.
Eine Einzel-Fixierung der Reflektorbleche am Tragring 3, beispielsweise mit Bindedraht 18, erlaubt es, die einzelnen Reflektorbleche gleichzeitig durch mehrere Personen gemeinsam zu montieren.
Zur Vereinfachung der Bedienung ist der Reflektor 1 so gelagert, dass beim Ausrichten auf die Sonne der Topf 11 automatisch im Brennbereich des Reflektors bleibt. Der Tragring 3 des Reflektors 1 ist anhand von Lagerstellen beidseitig mit Hilfe des Tragbügels 10 an den Achshälften 5 gelagert. Die Topfhalterung muss einerseits stabil sein, anderseits soll sie möglichst wenig Strahlung vom Topf abhalten. In 1 ist eine Topfhalterung bestehend aus 6 Topfhalter-Armen 14 aus Rundmaterial dargestellt, die von den Topfhalter-Querstreben 13 gehalten werden. Dabei ist darauf geachtet, dass sich im Bereich der konzentrierten Strahlung möglichst kein Bandmaterial befindet, weil dieses stärker abschattet und dadurch die Nutzleistung vermindert. Zu diesem Zweck sind zwischen den Achshälften 5 und den Topfhalter-Querstreben 13 Topfhalter-Platten 12 so angeordnet, dass sie für einen Abstand zwischen den Querstreben 13 und dem Topf 11 sorgen.
Die Achshälften 5 mit der daran angebrachten Topfhalterung und dem daran gelagerten Reflektor werden vom Gestell 4 getragen. Dazu sind die Achshälften an ihren äußeren Enden an den Ständern 6 befestigt. Durch Ständer aus entsprechend breitem Bandmaterial und durch die Anordnung von Innenstreben 7, die gemeinsam mit den Ständern an den Kufen 8 befestigt sind, wird auch bei dünnem Bandmaterial eine genügend hohe Steifigkeit des gesamten Gestells 4 erreicht. Das Gestell verfügt über Querverbinder 15, die an den Kufen befestigt sind. An einer Gestell-Mittelstrebe 16 kann das Gestell um eine vertikale Achse 17 drehbar am Aufstellort befestigt werden, falls dies gewünscht wird. Auch andere Achspositionen, beispielsweise an einer Kufe sind möglich. Die zentrale Lagerung hat den Vorteil, dass wenig Aufstellfläche nötig ist. Sie ermöglicht es, den Solarkocher mit der VIAX-Nachführeinrichtung auszurüsten. Die VIAX-Nachführung ist u. a. in der Europäischen Patentschrift 0 114 240 B1 und in der oben genannten Veröffentlichung „Neue Konzepte für nachgeführte PV-Generatoren und Solarkocher” erklärt. Diese Anwendung wird bei 14 beschrieben. Die Befestigung des Gestells an der Achse 17 verringert die Gefahr, dass der Solarkocher umgeworfen wird. 2 zeigt zwei Reflektorbleche 2, die am Tragring 3 und an den Stützringen 21 mit Bindedraht 18 an Verbindungsstellen 19 befestigt sind. Am schmalen Ende sind die Reflektorbleche überlappt und mit einer zentralen Schraube 9 verbunden. Für die angenommene Befestigung der Reflektorbleche an den Stützringen 21 durch Bindedrähte sind die Reflektorbleche an den Verbindungsstellen 19 mit zwei Löchern versehen. Die Lage der Reflektorbleche im Reflektor wird zunächst durch Verbindungsstellen am Tragring 3 und durch die zentrale Schraube 9 festgelegt. Die Befestigungen an den Stützringen 21 dienen der weiteren Formung und Stabilisierung des Reflektors. In der gezeigten Anordnung sind Reflektorbleche im Außenbereich ohne Überlappung montiert, entsprechend der genannten Offenlegungsschrift DE 10 2010 034 448 A1 . Auch Spalte zwischen den montierten Reflektorblechen, aber auch geringe Überlappungen, können beim Einsatz von Stützringen verwirklicht werden. Überlappungen im äußeren Reflektorbereich sind jedoch kaum vorteilhaft. Die herkömmliche Bauweise mit der Verbindung überlappter Reflektorbleche benötigt mehr Reflektormaterial, ohne zusätzliche Leistung des Reflektors.
3 zeigt ein Beispiel für eine Befestigung der Reflektorbleche 2 am Tragring 3 mit Bindedraht 18 in der Vorderansicht (a) und in der Seitenansicht im Schnitt (b). Zwischen dem Reflektorblech 2 und dem Tragring 3 ist ein Formstück 20 angeordnet, das für eine genauere Neigung des Reflektorbleches an der Außenkontur sorgt. Der Bindedraht 18 ist an der Verbindungsstelle 19 durch ein Loch im Reflektorblech 2 und im Formstück 20 geführt.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2010 034 448 A1 sind weitere Möglichkeiten für die Befestigung der Reflektorbleche am Tragring 3 gezeigt. Bei hohen Stückzahlen sind die Kosten für Formstücke gering. Die dargestellte Form ist beispielsweise als Strangpressteil aus Kunststoff oder Aluminiumlegierung herstellbar.
4 bis 7 zeigen Beispiele für die Befestigung der Reflektorbleche 2 an den Stützringen 21. Die Krümmung des Stützrings ist in dieser Darstellung zur Vereinfachung vernachlässigt.
Gemäß 4 erfolgt die Befestigung mit einem Bindedraht 18, der durch zwei nebeneinander angeordnete Löcher im Reflektorblech 2 an der Verbindungsstelle 19 gezogen und außen am Reflektor um den Stützring 21 geführt und geflochten ist.
In 5 ist eine Situation gezeigt, in der zwei Stützring-Drähte 21 übereinander liegen, beispielsweise zwei Enden des Stützrings, wenn die Enden nicht aneinander gestoßen werden. Die Sonderschraube 22 ist geschlitzt, so dass die beiden Drähte eingelegt und mit der Sondermutter 23 angepresst werden können.
6 zeigt eine Schnapp-Klammer 24, die das Reflektorblech an den Stützring 21 klammert. Die Klammer wird durch ein rundes Loch im Reflektorblech gesteckt. Fall das Reflektorblech mit einem rechteckigen Loch versehen wird, kann die Schnapp-Klammer aus einem Strangpressprofil hergestellt werden.
7 zeigt eine Blechklammer 25, mit der das Reflektorblech an einem rechteckigen Loch am Stützring 21 gehalten wird. Die Befestigungen mit Klammern 24 und 25 werden bei Überlastung gelöst, was von Vorteil zur Vermeidung von Verformungen an den Reflektorblechen sein kann.
8 zeigt eine Verbindung entsprechend 5, jedoch nur mit einem durch die Sonderschraube 22 und Sondermutter 23 gehaltenen Stützring 21. Diese Verbindung von Reflektorblech 2 und Stützring 21 kann besonders präzise ausgeführt werden. Das ist vor allem bei großen Reflektoren und beim Einsatz für höhere Konzentrationen vorteilhaft. Die Sonderschraube wird durch ein rundes Loch im Reflektorblech geführt. Bei Massenfertigung aus Aluminiumlegierung oder Kunststoff sind die Herstellkosten der Sonderschraube und der Sondermutter gering.
9 zeigt eine Klemme 26 für die Verbindung der Enden des Stützrings 21. Der Aufbau entspricht einer Lüsterklemme. Bei der Wahl des Werkstoffs ist die Korrosion wegen der Anwendung im Freien zu beachten. Eine Ausführung der Klemme aus Aluminiumlegierung, einschließlich der Madenschrauben 27 bei Stützringen aus Aluminiumlegierung ist vorteilhaft.
10 zeigt Maßnahmen zu Vermeidung des Umfallens und zur Beschränkung von deren Folgen, ergänzend zum Schutz, der durch die Anwendung von Stützringen 21 entsteht. 10(a) ist eine Seitenansicht des Solarkochers, (b) ist eine Draufsicht auf eine Solarkocherhälfte. Der Reflektor 1 ist in der Ruhestellung (Wölbung nach oben) gezeichnet. In dieser Stellung hat er nur einen kleinen Luftwiderstand im Vergleich zum aufrecht stehenden Reflektor, so dass die Kippkraft gering ist. Der Reflektor wird bevorzugt durch zwei Rutschkupplungen (nicht gezeichnet) in seiner Lage gehalten. Die Rutschkupplung kann in Kunststoffblöcken bestehen, die an die Halbachsen angeschraubt und mit Druckplatten an die Lagerstellen des Tragbügels 10 angepresst werden.
Außerdem ist gezeigt, wie die Standfestigkeit des Gestells 4 erhöht werden kann, indem die Kufe 8 belastet wird, beispielsweise mit einem Eimer 29, der mit Wasser, Sand oder Steinen gefüllt ist. Durch Räder 30, die seitlich an den Kufen 8 angebracht sind, wird nicht nur der Ortswechsel erleichtert, sondern auch das zum Kippen erforderliche Moment erhöht. Ein Schutzbügel 28 kann Belastungen des Reflektors beim Umfallen abfangen. Der Schutzbügel besteht bevorzugt aus einem starken, gebogenen Runddraht, der am Tragbügel 10 angebracht ist. Die genannten Maßnahmen sind vor allem empfehlenswert, wenn der Solarkocher nicht am Boden drehbar befestigt ist. Oft ist diese Befestigung nicht wünschenswert, weil der Standort des Solarkochers im Lauf des Tages verändert wird.
11 zeigt ein Verfahren, wie das Entfernen der Stege 32 bei einer Vorfertigung von Solarkocherkomponenten aus Blechtafeln 31 vorteilhaft gestaltet werden kann. Statt die Teile abzubrechen und anschließend die Stege 30 abzuschlagen, wird ein Brech-Werkzeug 33 verwendet. Es wird auf den Steg gesteckt und geneigt, bis der Steg beidseitig abbricht. Die 11(a) zeigt die geometrischen Bedingungen, wobei der Schlitz im Brech-Werkzeug so breit ist, dass der Steg bei der Neigung abbricht, aber der abgebrochen Steg nicht im Werkzeug klemmt. Um Verschleiß zu minimieren, ist ein gehärtetes Werkzeug vorteilhaft. In 11(b) ist ein Brechwerkzeug 33 mit Griff für die bequeme Handhabung gezeigt. Mit dieser Methode wird ein bisher gefährlicher Vorgang in eine sichere und erfreuliche Arbeit umgestaltet.
Die Strukturelemente eines Solarkochers und die Stützringe lassen sich im Allgemeinen von Hand in die gewünschte Form bringen, wobei einfache Biegevorrichtungen, sowie Schablonen aus Papier oder Karton vorteilhaft sind. Der Krümmungsradius der Stützringe ist im Allgemeinen geringer als der Radius, der durch elastische Verformung des Rundmaterials bei den in Frage kommenden Durchmessern erzielt werden kann. Daher tritt eine plastische Verformung ein. Wenn Seile verwendet werden, beispielsweise dünne Edelstahlseile, kann die plastische Verformung vermieden werden. Wegen des geringen Platzbedarfs ist das für Bausätze vorteilhaft. Die Grundplatten der Vorrichtungen können mit den vorbereiteten Löchern in der Blechplatte 31 vorgesehen werden, so dass auch die Vorrichtungen leicht herstellbar sind.
12(a) zeigt die Draufsicht auf eine Anordnung eines Tragrings 3 und dreier Stützringe 21, mit einer größeren Zahl von Verbindungsstellen 19 zwischen den Stützringen und den beiden als Beispiele dargestellten Reflektorblechen 2. Die Abstände der Verbindungsstellen an den Reflektorblechen entsprechen der Bogenlänge des Reflektors zwischen den Stützringen, so dass sich die räumliche Reflektorform ergibt.
Die gestreckte Länge der Abstände der Verbindungsstellen 19 vom Parabelscheitel entspricht der in mathematischen Lehrbüchern mitgeteilten Formel für die Länge des Parabelbogens vom Scheitel bis Verbindungsstelle 19 beim Radius r. Der Radius der Mittellinie des zugehörigen Stützrings 21 ist gemäß 12(b) um Δr = d/2·sin(α) größer als der Radius r der Verbindungsstelle 19, wobei d der Durchmesser des Stützring-Drahtes 21 ist und der Winkel α aus der Steigung der Parabel an der Stelle r folgt.
Durch mehrere Verbindungsstellen 19, beispielsweise sowohl auf der Mittellinie und im Bereich der Ränder des Reflektorblechs, kann die Präzision des Paraboloids verbessert werden, so dass die Konzentration der Solarstrahlung erhöht werden kann. Durch die räumliche Krümmung der Reflektorbleche wird außerdem die Steifigkeit des Reflektors erhöht. Das wird in 13 gezeigt.
In 12(a) sind vier Verbinder 39 am Tragring 3 skizziert, die aus gebogenen Bändern bestehen, die den Tragring verbinden und verstärken. Es sind auch Tragringe aus Hohlprofilen oder anderen Profilen geeignet, die durch Schweißung oder Steckverbindungen zusammengefügt sind. Hohlprofile sind besonders bei großen Reflektoren in Betracht zu ziehen. In 12(a) sind auch Stützring-Verbinder 26 skizziert. Eine Teilung des Tragrings 3 und der Stützringe 21 ist für den Transport vorteilhaft. Neben dem runden Querschnitt der Stützringe kommen im Prinzip auch andere Querschnitte in Frage, wobei der runde Querschnitt einfach zu handhaben ist.
Die erfindungsgemäße Nutzung von Stützringen 21 ist auch vorteilhaft für Solarkocher geeignet, die schnell und einfach zu montieren sind und wieder in Komponenten zerlegt und leicht in kompakter Form transportiert werden können. Dazu ist es empfehlenswert, eine geringe Zahl von Reflektorblechen einzusetzen, die durch die Stützringe vorteilhaft geformt werden. Wegen der Formung durch die Stützringe können daher bereits 3 Reflektorbleche für den Reflektor ausreichen, aber es wird vorteilhaft sein, den Reflektor für diesen Fall aus 4 bis 12 Reflektorblechen herzustellen. Das Gestell kann klappbare Ständer haben, wie sie beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 100 10 322 A1 dargestellt sind.
13 zeigt Beispiele für zwei Reflektorbleche, ein schmales 34 und ein doppelt so breites 35, die durch die Verbindung mit Stützringen 21 an Verbindungsstellen 19 räumlich gekrümmt werden. 13(a) und 13(b) zeigen die Vorderansicht, wobei zwei Verbindungsstellen 19 vor der Montage der Verbindungselemente eingezeichnet sind. In 13(c) und 13(d) ist veranschaulicht, dass die Reflektorbleche nicht nur in der Ebene gekrümmt sind, in der die Achse der rotations-symmetrischen Grundform liegt und in der auch die Mittellinien 36 und 37 der Reflektorbleche verläuft, sondern auch quer dazu. Es ist in der Zeichnung angenommen, dass die Reflektorbleche an der Schmalseite 38 nicht bis zu einer zentralen Verbindung (zentrale Schraube) geführt sind, sondern mit einem zentralen Verbindungsring oder mit einer weiteren Rosette verbunden sind. Die Krümmung der Reflektorbleche entlang des Stützrings 21 ist in 13(e) und 13(f) zu sehen. Die Reflektorbleche 35 und 36 sind dazu im Schnitt dargestellt. Vorteilhafte Verbindungsstellen 19 sind in den Zeichnungen von 13 eingetragen, wobei weitere oder alternative Verbindungsstellen abhängig von den Anforderungen erfindungsgemäß möglich sind.
Durch die Verbindung mit den Stützringen kann somit auch mit breiten Reflektorblechen eine hohe Präzision des Reflektors erzielt werden. Das in 13 dargestellte Beispiel zeigt, dass die Reflektor-Rosette aus 12 statt 24 Reflektorblechen hergestellt werden kann. Die Steifigkeit des als räumlich gekrümmten Reflektorblechs nimmt bei sonst gleichen Bedingungen angenähert proportional zur Breite des Reflektorblechs zu. Neben der Vereinfachung der Herstellung kommt daher die höhere Steifigkeit bei einer Verringerung der Zahl der Reflektorbleche hinzu. Die gewünschte Steifigkeit des Reflektors kann vor allem durch die Stützringe erzielt werden.
14 zeigt einen Reflektor 1 mit der bekannten VIAX-Nachführung. Die VIAX-Nachführung ist u. a. in der Europäischen Patentschrift 0 114 240 B1 und in der oben genannten Veröffentlichung „Neue Konzepte für nachgeführte PV-Generatoren und Solarkocher” erklärt. Die VIAX-Nachführeinrichtung in 14 sorgt durch das VIAX-Nachführglied 50 für die automatische Schwenkung des Reflektors 1 entsprechend dem Sonnenstand, wenn das Gestell in der erforderlichen Weise um seine Hauptachse ausgerichtet wird. Bei der vertikalen Hauptachse 17 wird das Gestell entsprechend dem Azimut des Sonnenstandes um diese Achse bevorzugt von Hand ausgerichtet. Das Nachführglied 50 sorgt dabei für die Schwenkung des Reflektors entsprechend dem zugehörigen Höhenstand (Elevation) der Sonne. Die jahreszeitliche Einstellung erfolgt bevorzugt durch Anpassung der Länge des VIAX-Nachführglieds 50. Es sind Räder 30 am Gestell 4 gezeigt, die tangential zur Drehung um die Gestellachse 17 angeordnet sind und die das Ausrichten des Gestells entsprechend dem Azimut des Sonnenstandes erleichtern. Als Rezipienten kommen vielfältige Empfänger in Frage.
Die Hauptkomponente der VIAX-Nachführung ist das Nachführglied 50, das hier als Seil dargestellt ist, das zwischen dem bewegten VIAX-Gelenkpunkt 47 und dem festen VIAX-Gelenkpunkt 48 gespannt ist. Der bewegte Gelenkpunkt 47 ist mit einem Gelenkhalter 49 mit dem Reflektor verbunden. Dieser ist in 14 als Stange dargestellt, die am Tragbügel 10 des Reflektors 1 befestigt ist. Der Gelenkpunkt 48 liegt auf einer Geraden, die in Nord-Süd-Richtung durch den Schnittpunkt 46 der Gestellachse (Hauptachse) 17 und die Reflektorachse (die durch die Achshälften 5 festgelegt ist) verläuft und die um den Breitengrad des Aufstellortes geneigt ist. Diese Linie entspricht der Hauptachse bei einer polaren Montierung; sie zeigt auf der Nordhalbkugel zum Polarstern. Die VIAX-Nachführung hat die Vorteile einer polaren Montierung, wobei sich zusätzliche Vorteile ergeben, weil die Lage der Hauptachse vorteilhaft gewählt werden kann. In 14 ist die Hauptachse 17 vertikal, so dass der Topf, der mit dieser Achse verbunden ist, bei der Ausrichtung auf die Sonne nicht gekippt wird.
Es ist die Position des Reflektors mittags bei Tag-und-Nachtgleiche gezeichnet, wobei ein Breitengrad von 30° angenommen wurde. Die Anpassung an die jahreszeitliche Veränderung der Sonnenposition kann durch entsprechende Verkürzung oder Verlängerung des VIAX-Nachführglieds 50 erfolgen, wie noch bei 15 gezeigt wird.
Bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang ist der Gelenkhalter 49 horizontal, so dass dann der Reflektor auf die Sonne am Horizont ausgerichtet ist. Im Tagesverlauf wird der Reflektor dem Stand der Sonne entsprechend durch das VIAX-Nachführglied 50 geneigt, sobald die azimutale Ausrichtung erfolgt.
Die in 14 gezeigte Anordnung der VIAX-Nachführeinrichtung mit vertikaler Hauptachse 17 ist ohne zusätzliche Anpassung für Breitengrade von mindestens ca. 30° geeignet. Für kleinere Breitengrade ist es empfehlenswert, Anpassungen vorzunehmen, insbesondere die exakte Anordnung der Gelenkpunkte der VIAX-Nachführung zu verlassen und eventuell die Hauptachse zu neigen. Bei horizontaler Hauptachse kann die VIAX-Nachführung für alle Breitengrade vom Äquator (0°) bis ca. 60° eingesetzt werden.
15 zeigt in Seitenansicht und Draufsicht einen Solarempfänger mit drei Reflektoren 1a, 1b und 1c in einem Rahmen 41 mit horizontaler Hauptachse 40, wobei ein Breitengrad des Aufstellortes von 20° angenommen wurde. Auch andere Neigungen der Hauptachse, insbesondere parallel zur Neigung des Geländes in Nord-Süd-Richtung, können vorteilhaft sein.
Die horizontale Hauptachse 40 des Rahmens 41 ist mit Lagern 42 beispielsweise auf Pfeilern gelagert. Das Gestell des Solarempfängers besteht in diesem Fall aus dem Rahmen 41 und seiner Lagerung und dessen Aufständerung. Es ist die Mittags-Stellung bei Tag-und-Nachtgleiche dargestellt. Die Schwenkung des Rahmens 41 um die horizontale Hauptachse 40 kann in bekannter Weise über einen Antrieb (Getriebemotor) 51 erfolgen, der auf ein am Rahmen 41 befestigtes halbkreisförmiges Antriebsrad 52 wirkt und die Schwenkung des Rahmens im Tagesverlauf um angenähert 180° ermöglicht. Der Antrieb kann durch ein Programm oder beispielsweise durch Sensoren gesteuert werden, die ein Ausrichten auf die hellste Stelle am Himmel bewirken.
In vielen Fällen reicht es aus, die Nachführung von Hand mit Hilfe einer Kurbel oder eines Handrades anstelle des automatischen Antriebs vorzunehmen. Das Ausrichten um die Hauptachse erfolgt beispielsweise in Abständen von einer halben Stunde. Die Einstellung der Länge des VIAX-Nachführglieds 50 entsprechend der Jahreszeit erfolgt bevorzugt von Hand. Diese Einstellung des Nachführglieds 50 kann bei Sonnenschein beispielsweise einmal pro Woche vorteilhaft mit Hilfe eines Schattenzeigers vorgenommen werden.
Das VIAX-Nachführglied 50 ist zwischen den bei 14 beschriebenen Gelenkpunkten 47 und 48 angeordnet. Durch Verstellung der Länge des Nachführglieds 50 wird die gezeichnete jahreszeitliche Anpassung an die Sonnenbahnen erzielt. Wenn ein Seil als VIAX-Nachführglied verwendet wird, dann ist die Längeneinstellung besonders einfach. Das Nachführglied kann aber auch aus einer Längen-verstellbaren Stange mit Gelenkpunkten an den Enden bestehen.
Der Gelenkhalter 49, an dem der Gelenkpunkt 47 angebracht ist, schwenkt den Rahmen 41 entsprechend dem Stand der Sonne. Der Gelenkhalter 49 ist hierzu an Lagerstellen mit dem Rahmen 41 verbunden. Die Parallelführung 44 überträgt die Neigung des Gelenkhalters 49 der VIAX-Nachführung auf die parallel auszurichtenden Gelenkhalter 49a, 49b und 49c der drei Reflektoren. Es ist eine einfache Parallelführung durch eine Stange 45 mit Gelenken gezeigt.
Andere bekannte Parallelführungen, insbesondere mit Seilen und Ketten, können eingesetzt werden.
Für Sicherheitsstellungen, beispielweise bei Sandstürmen, können Vorkehrungen getroffen werden, vor allem durch Schwenkung der Reflektoren in eine Position mit der Wölbung nach oben, wie in 10 dargestellt.
Im Bereich des Brennpunktes beziehungsweise der Brennlinie der Reflektoren sind Rezipienten angeordnet. Für den linken und den mittleren Reflektor (1a und 1b) ist angenommen, dass es sich um zwei fest montierte Rezipienten 53 handelt, beispielsweise um Wasser-Erhitzer und Dampferzeuger für Gemeinschaftsküchen oder als Wärmequelle für Absorptions-Kühlsysteme oder Entsalzungsanlagen. Die Zuleitung 55 und die Ableitung 56 für die in den Rezipienten beheizten Medien sind so geführt, dass die Anschluss-Stellen bei der Schwenkung des Reflektors nur geringe Bewegungen vollführen. Die Bauweise des Dampferzeugers kann sich an der bereits von A. Mouchot in seinem Buch „La Chaleur Solaire et ses Applicacions Industrielles" (2. ed. 1879; deutschsprachige Ausgabe: „Die Sonnenwärme und ihre industriellen Anwendungen". Olynthus-Verlag, ISBN 3-907175-08-5) angegebenen Bauweise orientieren, die bei der Weltausstellung in Paris im Jahr 1878 vorgestellt wurde. Dabei wurde ein Dampferzeuger aus parallelen Rohren verwendet, der durch eine Glashülle gegen Wärmeverluste geschützt wurde.
Wenn die konzentrierte Solarstrahlung zum Beladen von Wärme-Speichern genutzt werden soll, dann kann entweder die Wärmeübertragung direkt im Rezipienten auf das Speichermedium erfolgen, oder es zirkuliert ein Wärmeträger, der in einem getrennt aufgestellten Wärmespeicher die Speicherung bewirkt. Ein Wärmespeicher kann beispielsweise Latentwärme für das Kochen ohne Sonneneinstrahlung in Gemeinschaftsküchen oder das Trocken von Lebensmitteln ermöglichen.
Die fest montierten Rezipienten können Energie auch bei hoher Temperatur zur Verfügung stellen, wie sie vielfältig für effektive Heiz- und Kühlkreisläufe mit thermischen Verfahren benötigt werden.
Beim rechten Reflektor (1c) in 15 ist angenommen, dass sich in seinem Brennbereich ein entnehmbarer Rezipient 54 befindet. Dieser kann beispielsweise zum Regenerieren von Adsorbentien für dezentrale Anwendungen dienen, beispielsweise von Molekularsieb oder Zeolith. Für derer Regenerierung sind bekanntlich Temperaturen von mehr als 200°C empfehlenswert. Die regenerierten Adsorbentien können entnommen und für Anwendungen zum Kühlen oder Heizen genutzt werden.
Die Erfindung ermöglicht bei großen Reflektoren (z. B. bei Durchmessern von mehreren Metern) vorteilhafte Ausführungen, indem eine größere Zahl von Stützringen verwendet wird. Der Reflektor kann dabei auch aus mehreren konzentrischen Rosetten aufgebaut werden, die an Verbindungsstellen zwischen den Rosetten überlappt und mit dem Nachbar-Bereich verbunden sind. Bei großen Reflektoren kann auch statt der zentralen Schraube einen zentralen Ring mit Anschlüssen für die einzelnen Reflektorbleche empfehlenswert sein. Im Allgemeinen ist es vorteilhaft, den Reflektor im Bereich des Scheitels zu stützen.
Die Erfindung kann auch eingesetzt werden, um Reflektoren zu erzeugen, deren Form gezielt von der Paraboloid-Form abweicht. Auch ein konischer Reflektor, zum Beispiel in der Form die von A. Mouchot in der oben zitierten Anwendung beschrieben ist, kann mit Hilfe der Erfindung mit geringem Aufwand realisiert werden. Wesentlich ist es, die Form des Reflektors durch Stützringe zu stützen, wobei die Stützringe nur an den Reflektorblechen gehalten werden. Durch die Festlegung der Verbindungsstellen an den Reflektorblechen wird die Form bestimmt. Dabei kann eine erfindungsgemäße genaue Fixierung der Verbindungsstelle, insbesondere mit der in 8 dargestellten Verbindung von Reflektorblech 2 und Stützring 21 besonders vorteilhaft sein.
Die Position des Tragrings 3 ist nicht auf die äußere Kontur des Reflektors 1 beschränkt. Beispielsweise kann ein Tragring im Bereich der Schwerpunkts-Ebene des Reflektors vorteilhaft sein. Dann sind Stützringe 21 auch mit einem größeren als dem Tragringdurchmesser vorzusehen.
Für die Tragstruktur sind kostengünstige und umweltverträgliche Bauweisen unter Beachtung der Regeln der Leichtbauweise möglich. Unter Anderem ist die Nutzung von Bambus-Stangen vorteilhaft, insbesondere für den Rahmen 41 und die Parallelführungen. Bei langen Rahmen, die bei mehreren darauf angeordneten Reflektoren nötig sind, können beispielsweise auch Blech- und Fachwerkträger eingesetzt werden. Bei niedrigen Breitengraden ist der wegen der gegenseitigen Abschattung erforderliche Abstand zwischen den Reflektoren gering. Die Aufteilung auf mehrere kleinere Reflektoren anstelle eines großen hat die Vorteile der modularen Bauweisen.
Die in 15 dargestellte Bauweise für die synchrone Bewegung von Reflektoren ist auf die Nachführung einer großen Zahl von Reflektoren erweiterbar, indem sowohl in einem Rahmen 41, als auch durch parallel angeordnete weitere Rahmen mit Reflektoren angeordnet werden. Die parallel angeordneten Rahmen können in bekannter Weise durch einfache Getriebeelemente, insbesondere Ketten und Seile, gemeinsam von einem Antrieb aus bewegt werden. Die Nutzung der erfindungsgemäßen Reflektoren ist daher beispielsweise für Gemeinschafts-Küchen, für Gemeinschafts-Kühlhäuser, für klimatisierte Schulräume und Werkstätten sowie für Anlagen zur Trinkwassergewinnung von Vorteil.
Auch eine Kombination der zweiachsig nachgeführten Reflektoren mit PV-Panel auf gemeinsamen Rahmen ist möglich, so dass neben der thermischen Energie auch die erforderliche elektrische Stromversorgung vorteilhaft bereitgestellt werden kann.
16 zeigt den Schnitt durch die Mittelebene eines Reflektors 1, dessen optische Achse 57 entsprechend 15 um 20° gegenüber der Vertikalen geneigt ist. Die rechte Seite des Schnittes ist symmetrisch zur optischen Achse, deshalb wurde der Reflektor zur Vereinfachung nur auf der linken Seite dargestellt. Die optische Achse ist auch die Achse des eingezeichneten Rezipienten 53, der an dem Tragbügel 10 befestigt ist und der bei der Nachführung des Reflektors in der optischen Achse bleibt.
Die Nachführung des Reflektors 1 erfolgt bevorzugt mit einer VIAX-Nachführung entsprechend 15. Es ist ebenfalls eine horizontale Achse Hauptachse angenommen, um die der Rahmen 41 bei der Nachführung geschwenkt wird. Der Reflektor ist an diesem Rahmen beidseitig mit der Lagerung 43 über zwei Halbachsen 5 schwenkbar gelagert. Die Schwenkung des Reflektors mit dem Rezipienten im Rahmen 41 entsprechend dem Sonnenstand erfolgt mit dem Gelenkhalter 49, an dessen Ende die Parallelführung 45 der Reflektoren angreift, die vom VIAX-Getriebe betätigt wird. Der Gelenkhalter 49 ist mit dem Tragbügel 10 verbunden, so dass der Reflektor 1 und der Rezipient 53 gemeinsam geschwenkt werden.
Der Rezipient 53 besteht aus einem Innenteil 58 und einer Glashülle 59 zur thermischen Isolierung. Der Innenteil 58 ist dem Verwendungszweck anzupassen. Er kann beispielsweise so aufgebaut sein, wie bei dem von A. Mouchot beschriebenen Dampferzeuger. Dabei werden mit den Leitungen 55 und 56 das Speisewasser zu und der Dampf abgeführt. Für die Regenerierung von Adsorbentien ist der Innenteil 58 mit dem Adsobens zum Beispiel auf einem Gitterrost gefüllt, so dass die Desorption an Luft erfolgt, die über die Leitungen 55 und 56 zu- und abgeführt wird, wobei die dem Rezipienten zugeführte Solarenergie für die erforderliche hohe Temperatur im Innern des Innenteils des Rezipienten sorgt.
Es ist in 16 ein Reflektor 1 gezeigt, der aus einer inneren Reflektor-Rosette 1a und einer äußeren Reflektor-Rosette 1b besteht. Die innere Reflektor-Rosette ist angenähert Paraboloid-förmig, während die äußere konisch geformt ist, also einem Kegelstumpf mit gerader Erzeugender entspricht. Der Gesamt-Öffnungswinkel der äußeren Rosette 1b ist wie bei dem Spiegel von A. Mouchot mit 90° angenommen. Der konische Teil reflektiert die Solarstrahlung auf eine Brennlinie auf der optischen Achse, wobei der Strahlengang bei diesem Öffnungswinkel nach der Reflexion in Ebenen senkrecht zur optischen Achse 59 verläuft. Dadurch wird eine gleichmäßigere Erhitzung des Innenteils 58 bewirkt, als wenn die gesamte Strahlung auf den Brennpunkt eines Paraboloid-Reflektors gerichtet würde.
Um diese Kombination einer inneren und einer äußeren Reflektor-Rosette vorteilhaft zu verwirklichen, sind die beiden Rosetten an der Verbindungsstelle überlappt und mit einem Stützring 21 verbunden. Die Neigung der Reflektorformen an der Verbindungsstelle soll gleich sein. Das bedeutet beim Öffnungswinkel der äußeren Rosette, dass die Neigung des Paraboloids an der Verbindungsstelle 45° betragen soll. In 16 ist der Paraboloid-förmige innere Teil des Reflektors nicht bis zu einer zentralen Schraube, sondern bis zu einem zentralen Befestigungs-Ring 60 geführt, der mit dem Tragbügel 10 verbunden ist.
17 zeigt rechts ein Reflektorblech 2b der äußeren Reflektor-Rosette 1b. Die Reflektorbleche der konischen Reflektor-Rosette können über die gesamte Länge ohne Spalt oder Überlappung montiert werden. Der Tragring 3 und die Stützringe 21 sorgen für eine genaue Form. Die trapezförmigen Bleche können aus der Blechtafel mit geringem Verschnitt hergestellt werden, indem die breiten und schmalen Enden abwechselnd aus der Tafel geschnitten werden. Das gilt auch für das links dargestellte Reflektorblech für die innere Rosette, das ebenfalls mit geraden Kanten ausgeführt werden kann.
Bei dem in 17 gezeigten Reflektor 1 sorgt der Paraboloid-förmige Teil 1a für eine Konzentration in Richtung auf den Brennpunkt, während der konische Teil 1b auf eine Brennlinie senkrecht zu den reflektierten Strahlen hin konzentriert. Die Erfindung ermöglicht es aber auch gleitende Übergänge bei der Konzentration der Solarstrahlung besonders einfach zu verwirklichen und damit Besonderheiten des Rezipienten zu berücksichtigen. Mouchot weist darauf hin, dass der konische Reflektor den Vorteil hat, dass die Intensität der Strahlung in Richtung der Brennlinie nicht konstant ist, sondern mit dem Durchmesser proportional zunimmt.
Die Grundform der inneren und der äußeren Rosette, das Paraboloid und der Kegelstumpf gehen aus der Rotation einer Erzeugenden, bestehend aus einer parabelförmigen und einer daran anschließenden geraden Linie, um die optische Achse hervor. Andere Erzeugende sind erfindungsgemäß möglich, um die Bestrahlungsstärke auf dem Rezipienten längs der optischen Achse an besondere Bedingungen anzupassen, beispielsweise für eine konstante Bestrahlungsstärke über die ganze Mantelfläche des Rezipienten zu sorgen. Die Erzeugende ist dann nicht mehr eine gerade, sondern eine gekrümmte Linie.
Es sind aber auch Reflektoren möglich, die nur aus einem einfachen Konus bestehen. Dabei wird eine Überlappung der Reflektorbleche vollständig vermieden. Für Solarkocher hat die Parboloid-Form allerdings den Vorteil, dass eine vollständige Konzentration der reflektierten Solarstrahlung auch auf kleinere Rezipienten (Töpfen, Pfannen) möglich ist.
Bezugszeichenliste

1: Reflektor
1a: innere Reflektor-Rosette
1b: äußere Reflektor-Rosette
2: Reflektorblech
2a: Reflektorblech der inneren Rosette
2b: Reflektorblech der äußeren Rosette
3: Tragring
4: Gestell
5: Achshälfte
6: Ständer
7: Innenstrebe
8: Kufe
9: zentrale Schraube
10: Tragbügel
11: Rezipient (Topf, Pfanne etc.)
12: Topfhalter-Platte
13: Topfhalter-Querstrebe
14: Topfhalter-Arm
15: Gestell-Querverbinder
16: Gestell-Mittelstrebe
17: vertikale Hauptachse (Gestell-Achse)
18: Bindedraht
19: Verbindungsstelle
19a: Verbindungsstelle bei der Überlappung von innerer und äußerer Reflektor-Rosette
20: Formstück für Befestigung am Tragring
21: Stützring
22: Sonderschraube
23: Sondermutter
24: Schnapp-Klammer
25: Blechklammer
26: Stützring-Verbinder
27: Klemmschraube
28: Schutzbügel
29: Eimer zur Gestell-Belastung
30: Rad am Gestell
31: Blechplatte
32: Steg in der gestanzten Blechplatte
33: Werkzeug zum Entfernen der Stege
34: schmales Reflektorblech
35: breites Reflektorblech
36: Mittellinie des schmalen Reflektorblechs
37: Mittellinie des breiten Reflektorblechs
38: Schmalseite der Reflektorbleche
39: Verbinder des Tragringes
40: horizontale Hauptachse
41: Rahmen für Lagerung der Reflektoren
42: Lagerung der Hauptachse
43: Lagerung der Reflektor-Achse
44: Parallelführung des VIAX-Getriebes
45: Parallelführung der Reflektoren
46: Achsenschnittpunkt A
47: VIAX-Gelenkpunkt B
48: VIAX-Befestigungspunkt C
49: Gelenkhalter
49a: Gelenkhalter am Reflektor 1a
49b: Gelenkhalter am Reflektor 1b
49c: Gelenkhalter am Reflektor 1c
50: VIAX-Nachführglied
51: Antrieb des Rahmens 41
52: Antriebsrad am Rahmen 41
53: Rezipient fest montiert
54: Rezipient entnehmbar
55: Zuleitungsrohr zum Rezipienten
56: Ableitungsrohr vom Rezipienten
57: Rezipient
58: Innenteil des Rezipienten 57
59: Glashülle des Rezipienten 57
60: zentraler Befestigungs-Ring

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010034448 A1 [0001, 0042, 0045, 0047]
EP 0114240 B1 [0045, 0066]
DE 10010322 A1 [0063]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

D. Seifert: „Neue Konzepte für nachgeführte PV-Generatoren und Solarkocher”, Tagungsband 2, S. 1406–1413, 9. Internationales Sonnenforum 1994, DGS-Sonnenenergie Verlags-GmbH, München [0001]
A. Mouchot in seinem Buch „La Chaleur Solaire et ses Applicacions Industrielles” (2. ed. 1879; deutschsprachige Ausgabe: „Die Sonnenwärme und ihre industriellen Anwendungen”. Olynthus-Verlag, ISBN 3-907175-08-5) [0078]

Claims

Reflektor zur Konzentration von Solarstrahlung, dessen Form angenähert einem Paraboloid oder einer anderen rotationssymmetrischen Form entspricht, der aus ebenen Reflektorblechen mit trapezförmiger Grundform hergestellt wird, die mit mindestens einem runden Stützring gestützt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützring beziehungsweise die Stützringe nur mit den Reflektorblechen verbunden sind und durch die Position der Verbindungsstellen auf dem Reflektorblech die Reflektorform unterstützt wird.
Reflektor zur Konzentration von Solarstrahlung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor mit einem Tragring ausgestattet ist, an dem der Reflektor entsprechend der von der gewünschten Reflektorform vorgegebenen Reflektor-Neigung an der Verbindungsstelle befestigt ist und der in einem Gestell schwenkbar gelagert ist, so dass die optische Achse des Reflektors auf die Sonne ausgerichtet werden kann.
Reflektor zur Konzentration von Solarstrahlung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung der Reflektorbleche an den Tragringen zu einer Krümmung des Reflektorblechs mit Hilfe von Verbindern in Form von Bindedrähten oder ein- oder mehrteiligen Verbindungselementen genutzt wird, sowohl in der Längsrichtung des Reflektorblechs, als auch quer dazu, um die gewünschte Annäherung an die Form und Stabilität der Rotationsfläche zu erzielen.
Reflektor zur Konzentration von Solarstrahlung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorbleche zumindest im äußeren Bereich des Reflektors ohne gegenseitige Überlappung angeordnet sind.
Reflektor zur Konzentration von Solarstrahlung gemäß mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor aus einzelnen Rosetten aufgebaut ist, die an den Übergangsstellen der Nachbar-Rosetten überlappt und am Tragring oder an einem Stützring befestigt sind.
Solarkocher mit einem Reflektor gemäß mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Strukturteile aus Platten gestanzt werden, so dass sie den Solarkocher-Bausätzen als Platten mit Stegen zwischen den Komponenten beigelegt werden können, wobei die Stege mit einem Werkzeug an beiden Enden gleichzeitig abgetrennt werden können.
Reflektor zur Konzentration von Solarstrahlung gemäß mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor für einen leicht montierbaren und demontierbaren Bausatz verwendet wird, indem nur eine kleinere Anzahl von ebenen Reflektorblechen für die Herstellung genutzt wird, die durch die Verbindungen zu den Stützringen ausreichend geformt werden.
Solarempfänger mit mindestens einem Reflektor gemäß mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor oder die Reflektoren mit Hilfe einer VIAX-Nachführeinrichtung bewegt wird, die über ein VIAX-Nachführglied verfügt, das für die gewünschte Schwenkung des Reflektors um seine Sekundärachse bei der Schwenkung um die Hauptachse sorgt.
Solarempfänger mit mindestens einem Reflektor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der optischen Achse des Reflektors beziehungsweise der Reflektoren Rezipienten für thermische Anwendungen angeordnet sind, die sich gemeinsam mit den Reflektoren bewegen.
Solarempfänger mit Reflektoren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Reflektoren durch Parallelführungen in einem Rahmen gemeinsam auf die Sonne ausgerichtet werden, wobei auch mehrere Rahmen mit Reflektoren durch Parallelführungen ausgerichtet werden können.