DE10358327A1

DE10358327A1 - Vorrichtung zur Energieerzeugung mittels einfallender Solarstrahlung

Info

Publication number: DE10358327A1
Application number: DE2003158327
Authority: DE
Inventors: Sandor Soltis
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2005-07-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieerzeugung mittels einfallender Solarstrahlung unter Verwendung eines Röhrenkollektors (1) mit einer quer zur Strahlungsrichtung angeordneten Außenröhre (2) aus lichtdurchlässigem Material, deren der Strahlungseintrittsseite gegenüberliegende Mantelfläche als Reflektor ausgebildet ist, und mit einer sowohl im direkten als auch im reflektierten Strahlengang verlaufenden, ein flüssiges Wärmemedium enthaltenden Innenröhre (3), die über Zu- und Ableitungen mit einem Wärmeaustauschsystem verbunden ist. An der Strahlungseintrittsseite des Röhrenkollektors (1) ist eine in die Mantelfläche der Außenröhre (2) integrierte optische Linse (5) vorgesehen. Die Innenröhre (3) ist als U-Röhre mit einem der Strahlungseintrittsseite zugewandten ersten Teilarm (3') für das zufließende Wärmemedium und einem dem Reflektor (6) zugewandten zweiten Teilarm (3'') für das abfließende Wärmemedium ausgebildet und derart räumlich angeordnet, dass die direkt einfallende Strahlung auf den ersten Teilarm (3') und die am Reflektor (6) reflektierte Strahlung auf den zweiten Teilarm (3'') gerichtet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieerzeugung mittels einfallender Solarstrahlung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Es sind Solarkollektoren in Röhrenform bekannt, bei denen innerhalb einer für das Sonnenlicht durchlässigen Außenröhre, die an der der Lichteintrittsseite gegenüberliegenden Mantelfläche eine Reflektorschicht aufweist, eine vorzugsweise im Brennpunkt des Reflektors gelagerte, mit einem wärmeleitfähigen Medium gefüllte Innenröhre vorgesehen ist. Die Innenröhre ist über Zu- und Ableitungen mit einem Wärmeaustauschsystem verbunden. Zur Erzielung eines nennenswerten Energiebeitrages weisen derartige Röhrenkollektoren meist eine relativ große Länge auf, damit die einfallenden Solarstrahlen auf möglichst großer Fläche auf das durch die Innenröhre fließende Wärmemedium einwirken kann. Die Installation leistungsfähiger Solaranlagen erfordert deshalb nicht nur entsprechend große Flächen, sie stößt auch aus ästhetischen Gründen auf Bedenken, abgesehen davon, dass eine ausreichende Montagefläche vielfach nicht zur Verfügung steht.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Energieerzeugung der eingangs genannten Art in der Weise zu verbessern, dass bei möglichst geringem Raumbedarf eine hohe Energiebilanz erzielt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß durch eine gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 ausgebildete Vorrichtung. Der besondere Vorteil dieser Vorrichtung besteht zum einen in der Verwendung einer in der Außenröhre des Röhrenkollektors integrierten Linse zur möglichst optimalen Nutzung der einfallenden Strahlenenergie und zum anderen in der als U-Rohr ausgebildeten Innenröhre, mittels der die Baulänge des Röhrenkollektors nahezu halbiert werden kann und die einfallende Strahlung im ersten Teilarm direkt und im zweiten Teilarm als reflektierter Anteil einwirken kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche. Eine besonders effiziente Nutzung der einfallenden Strahlungsenergie ergibt sich dadurch, dass die Kollektoranordnung in Bezug auf die einfallende Solarstrahlung derart angeordnet und bewegbar gelagert ist, dass sie um die eigene Achse drehend und kippend in Abhängigkeit vom jeweiligen Sonnenstand mittels einer Antriebsvorrichtung auf einen jeweils senkrechten Einfallswinkel der Solarstrahlung einstellbar ist.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen Röhrenkollektor gemäß der Erfindung
2 einen Querschnitt durch einen weiteren Röhrenkollektor
3 einen Querschnitt durch einen weiteren Röhrenkollektor mit integrierten Solarzellen
4 einen Längsschnitt durch einen Röhrenkollektor gemäß der Erfindung in schematischer Längsschnitt-Darstellung
5 eine Haltevorrichtung für einen Röhrenkollektor
6 einen Einstellmechanismus für eine Vorrichtung mit mehreren Röhrenkollektoren zur optimalen Ausrichtung auf den jeweils aktuellen Sonnenstand
Die 1 zeigt in einer Schnittdarstellung einen Röhrenkollektor 1, dessen Außenröhre 2 beispielsweise einen dreieckigähnlichen Querschnitt mit leicht konvex gewölbten Mantelteilflächen aufweist. Der Querschnitt der Außenröhre 2 kann auch eine beliebig andere Form aufweisen, so lange die geforderten Reflexionseigenschaften eingehalten werden, auf die nachfolgend noch näher eingegangen wird. Im Innern der allseitig geschlossenen, vorzugsweise aus lichtdurchlässigem Material bestehenden Außenröhre befindet sich eine Innenröhre 3, in der sich ein flüssiges, Wärme transportierendes Medium befindet und die über nicht dargestellte Zu- und Ableitungen mit einem in der Figur ebenfalls nicht dargestellten Wärmeaustauschsystem verbunden ist. Zwischen Außenröhre 2 und Innenröhre 3 befindet sich ein Vakuum. Die über eine Stirnseite der Außenröhre 2 eintauchende Innenröhre verfügt über eine ausreichende Eigensteifigkeit, dass sie ohne Stütz- oder Halteelemente in einer stabilen Position gelagert werden kann. Der Verzicht auf Halteelemente erweist sich auch im Hinblick auf die notwendige Wärmeisolation zwischen Außen- und Innenröhre als vorteilhaft. Eine der drei Mantelteilflächen ist als Strahleintrittsfläche für einfallende Solarstrahlen 4 vorgesehen. Im vorliegenden Beispiel ist die Strahleintrittsfläche Bestandteil einer in die Außenröhre 2 integrierte optische Linse 5, die vorzugsweise aus dem auch für die Außenröhre verwendeten Material gesteht und in einem gemeinsamen Herstellungsvorgang realisiert werden kann. Diese Linse 5 bündelt die einfallenden Solarstrahlen in der Weise, dass möglichst viel Strahlungsenergie auf die Innenröhre 3 trifft. Diese Innenröhre ist als U-Rohre ausgebildet, deren erster Teilarm 3' für das zufließende Wärmemedium vorgesehen ist, während der parallel dazu verlaufende zweite Teilarm 3'' als Rückkanal für das abfließende Wärmemedium bestimmt ist. Die Ausbildung der Linse 5 und die räumliche Anordnung der Innenröhre 3 sind so gewählt, dass die in das Innere der Außenröhre eintretenden Strahlen einerseits direkt auf den ersten Teilarm 3' der Innenröhre und andererseits reflektiert auf den zweiten Teilarm 3'' treffen. Letzteres ergibt sich auf Grund einer Reflexion an der Innenwandung der beiden anderen Mantelteilflächen, die zu diesem Zweck mit einer reflektierenden Schicht bedeckt sind. Der so gebildete Reflektor 6' kann beispielweise aus einer aufgedampften Metallschicht, vorzugsweise Silberschicht, bestehen. Die U-förmige Innenröhre hat einen rechteckigen Querschnitt und eine parallel zu den beiden Längskanten verlaufende mittlere Trennwand 3''' zwischen den beiden Teilarmen 3' und 3''. Durch die Verwendung einer U-förmigen Innenröhre für Hin- und Rücklauf liegen die Anschlüsse für die Zu- und Ableitungen in vorteilhafter Weise an der gleichen Seite des Röhrenkollektors, was die Montage wesentlich erleichtert. Außerdem ergibt sich auf Grund der direkten Bestrahlung des ersten Teilarms und der reflektierten Bestrahlung des zweiten Teilarms eine relativ hohe Energieausbeute bei vergleichsweise geringem Raumbedarf.
2 zeigt eine andere Ausführungsform eines Röhrenkollektors 11, dessen Außenröhre 12 einen ellipsenähnlichen Querschnitt aufweist. Analog zur 1 ist auch bei dieser Ausführungsform eine Linse 15 in die Außenröhre 12 integriert und auch hier ist der der Strahleintrittsfläche gegenüber liegende Innenbereich der Außenröhre mit einer z. B. aufgedampften Metallschicht versehen, die als Reflektor 16 wirkt. Die Innenröhre 13 hat z. B. einen trapezähnlichen Querschnitt, dessen beide Grundlinien, um einen möglichst optimalen Einfallswinkel zu erreichen, leicht konkav gewölbt sind. Die Anordnung der Innenröhre 13 ist im übrigen so gewählt, dass die kleinere der beiden Grundlinien dem Reflektor 16 zugewandt ist. Eine parallel zu den beiden Grundlinien des Trapezes verlaufende Trennwand 13''' teilt die Innenröhre 13 in die beiden Teilarme 13' und 13''.
Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform eines Röhrenkollektors 21 besteht der größte Teil der Außenröhre 22 aus einer Längsschale mit parabelähnlichem Querschnitt und einer die Längsschale abdeckenden Linse 25, so dass sich insgesamt eine bauliche Einheit in Form einer ringsum geschlossene Röhre gibt. Die Linse 25 weist eine ebene Strahleintrittsebene auf, die zusätzlich als Auflagefläche für eine Solarzellenanordnung 28 zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie dient. Der Querschnitt der axial zur Außenröhre 22 angeordneten und als U-Rohr ausgebildeten Innenröhre 23 ähnelt im vorliegenden Beispiel einem Dreieck mit leicht konkav gewölbten Seiten und einer Zwischenwand, so dass sich ein trapezähnlicher Teilarm 23' für das zufließende Wärmemedium und ein keilförmig gestalteter Teilarm 23'' für das zurückfließende Medium ergibt. Die Außenflächen der beiden Teilarme 23', 23'' der Innenröhre 23 weisen außerdem eine reliefartige Oberflächenstruktur auf, weil dadurch die effektiv nutzbare Fläche für die einfallende Strahlung entsprechend vergrößert wird. An der Innenfläche der Außenröhre 22 ist, analog zu den Röhrenkollektoren gemäß den 1 und 2, ebenfalls ein aus einer aufgetragenen Metallschicht gebildeter Reflektor 26 vorgesehen, der die einfallende Strahlung auf den zweiten Teilarm 23'' umlenkt.
Die in 4 in einem schematischen Längsschnitt dargestellte Röhrenkollektor 31 entspricht im wesentlichen der in 3 gezeigten Ausführungsform, da auch hier die in der Außenröhre 32 integrierte Linse 35 eine ebene Strahleintrittsfläche aufweist und zusätzlich auf der ebenen Linsenoberfläche eine Schicht aus Solarzellen befestigt ist, aus der elektrische Energie gewonnen werden kann. Ansonsten weist auch dieser Röhrenkollektor eine U-förmige Innenröhre 33 und einen Reflektor 36 auf und entspricht somit in Aufbau und Funktion der Ausführungsformen gemäß den 1 und 2. Eine hierzu analoge Vorrichtung kann auch aus einer Solarzellenpalette bestehen, die zusammen mit wenigstens einem an deren Unterseite angeformten Röhrenkollektor eine bauliche Einheit bildet.
Die 5 zeigt in schematischer Darstellung eine Haltevorrichtung für einen Röhrenkollektor gemaß 4, die so gestaltet ist, dass der Röhrenkollektor 31 in Abhängigkeit vom jeweils aktuellen Sonnenstand auf einen stets optimalen Einfallwinkel der Solarstrahlung ausgerichtet werden kann. Zu diesem Zweck ist der Röhrenkollektor 31 einerseits über ein an seiner Rückseite vorgesehenes Kugelgelenk 7 drehbar gelagert und andererseits über seitlich angreifende Führungsstangen 8 entsprechend ausrichtbar.
Die 6 zeigt eine Anordnung mit mehreren Röhrenkollektoren 1, die zu beiden Seiten je eine Halterung für eine Führungsstange aufweisen, wobei die jeweils einer Seite zugeordneten Halterungen bzw. die mit ihnen verbundenen Führungsstangen 8 mit je einem zweidimensional auslenkbaren Bewegungsgestänge 9 mechanisch gekoppelt sind, so dass sämtliche Röhrenkollektoren synchron auf einen abhängig vom Sonnenstand senkrechten Einfallswinkel der Solarstrahlung ausrichtbar sind. Zur Steuerung der beiden Bewegungsgestänge 9 ist ein in der Figur nicht dargestellter Sensor vorgesehen, der beispielsweise aus mehreren flächig verteilten Fotozellen besteht. In Abhängigkeit von der Anzahl der über einen Lichteintrittskanal jeweils beleuchteten Fotozellen kann sowohl der Sensor als auch das mit dem Sensor mechanisch gekoppelten Bewegungsgestänge in der Weise gesteuert werden, dass die Anzahl der beleuchteten Fotozellen ein Minimum erreicht.

1, 11, 21, 31: Röhrenkollektor
2, 12, 22, 32: Außenröhre
3, 13, 23, 33: Innenröhre
3', 13', 3'', 13'': Teilarme der Innenröhre
4: Solarstrahlen
5, 15, 25: Linse
6, 16, 26, 36: Reflektor
7: Kugelgelenk
8: Führungsstangen
9: Bewegungsgestänge

Claims

Vorrichtung zur Energieerzeugung mittels einfallender Solarstrahlung, unter Verwendung einer Kollektoranordnung mit einer quer zur Strahlungsrichtung angeordneten Außenröhre aus lichtdurchlässigem Material, deren der Strahlungseintrittsseite gegenüber liegende Mantelfläche als Reflektor ausgebildet ist und mit einer sowohl im direkten als auch im reflektierten Strahlengang verlaufenden, ein flüssiges Wärmemedium enthaltenden Innenröhre, die über Zu- und Ableitungen mit einem Wärmeaustauschsystem verbinden ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Strahlungseintrittsseite eine in die Mantelfläche der Außenröhre (2, 12, 22) integrierte optische Linse (5) vorgesehen ist und dass die Innenröhre (3, 13, 23) als U-Röhre mit einem der Strahlungseintrittsseite zugewandten ersten Teilarm (3', 13', 23') für das zufließende Wärmemedium und einem dem Reflektor (6, 16, 26) zugewandten zweiten Teilarm (3'', 13'', 23'') für das abfließende Wärmemedium ausgebildet und derart räumlich angeordnet ist, dass die direkt einfallende Strahlung auf den ersten Teilarm (3', 13', 23') und die am Reflektor (6, 16, 26,) reflektierte Strahlung auf den zweiten Teilarm (3'', 13'', 23'') gerichtet ist
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilarme (3', 3'') der Innenröhre (3) als Doppelrohr mit jeweils rechteckförmigem Querschnitt ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenröhre (13) einen trapezförmigen Querschnitt mit einer parallel zu den beiden Grundlinien verlaufenden Trennwand (13''') zwischen dem ersten und zweiten Teilarm (13', 13'') aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Innenröhre (3, 13) vorgesehenen Eintrittsflächen für die direkte bzw. reflektierte Strahlung jeweils eine, bezogen auf die Achse der Innenröhre, konkave Wölbung aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenröhre (2, 12, 22) und die integrierte Linse (5, 15, 25) aus gleichem Material bestehen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Außenröhre (22) integrierte Linse (25) eine ebene Strahleintrittsfläche aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektoranordnung in Bezug auf die einfallende Solarstrahlung derart angeordnet und bewegbar gelagert ist, dass sie um die eigene Achse drehend und kippend in Abhängigkeit vom jeweiligen Sonnenstand mittels einer Antriebsvorrichtung auf einen jeweils senkrechten Einfallswinkel der Solarstrahlung einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektoranordnung über ein Gestänge mit der Antriebsvorrichtung verbunden ist
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bewegung des Gestänges ein elektrischer und/oder mechanischer Antrieb vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiequelle für die Antriebsvorrichtung Solarzellen vorgesehen sind, die an der Kollektoranordnung befestigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen an der Strahleintrittsfläche der Kollektoranordnung befestigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen in einer lichtdurchlässigen Schicht enthalten sind, die auf der in der Außenröhre der Kollektoranordnung integrierten Linse befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der Antriebsvorrichtung ein aus mehreren flächig verteilten Fotozellen bestehender Sensor vorgesehen ist, der in Abhängigkeit von der Anzahl der über einen Lichteintrittskanal jeweils beleuchteten Fotozellen eine Bewegung der mit dem Sensor mechanisch gekoppelten Kollektoranordnung in der Weise steuert, dass die Anzahl der beleuchteten Fotozellen ein Minimum erreicht.