DE19716418A1 - Einrichtung zur Nutzwärme- und Solarstrom-Erzeugung für Glasdachkonstruktionen bei Erhalt der Transparenz- und Tageslichtbeleuchtung mittels integrierter, konzentrierender Fresnel-Zylinderlinsen und zweiachsig nachgeführten Absorbern - Google Patents

Einrichtung zur Nutzwärme- und Solarstrom-Erzeugung für Glasdachkonstruktionen bei Erhalt der Transparenz- und Tageslichtbeleuchtung mittels integrierter, konzentrierender Fresnel-Zylinderlinsen und zweiachsig nachgeführten Absorbern

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Description

Sonnenkollektoren in Form von Flach- und Vakuum-Röhrenkollektoren zur Umwandlung der direkten und indirekten Sonneneinstrahlung in nutzbare Wärme sind Stand der Technik. Gleiches gilt für Photovoltaik (PV)-Module, welche die Sonneneinstrahlung direkt in elektrischen Strom umwandeln. Grundsätzlich können die auf dem Markt befindlichen Sonnenkollektoren und PV-Module in Glasflächen integriert und zur Wärme- und Strom­ gewinnung genutzt werden. Nachteilig dabei ist die damit verbundene Beeinträchtigung der Transparenz und Tageslichtbeleuchtung der Glaseindeckung.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Erste Erfahrungen mit mit einer Vorläufertechnologie wurden in der Tschechischen Republik in Gewächshäusern zur Erwärmung von Wasser für die Wachstumförderung von Pflanzen gemacht und die praktische Anwendbarkeit der Technologie demonstriert. In einer weiteren Anwendung wurde bei einer Ausstellungshalle die südliche Dachhälfte in einer Sparren Spanten-Konstruktion aus Holz vollständig durch Verbundscheiben mit Fresnel-Zylinder­ linsen aus Glas eingedeckt. Mit dieser, für Wassertemperaturen bis zu maximal 60°C ausgelegten Konstruktion, wird Brauchwasser für ein nahegelegenes Hotel mit Restaurant erzeugt. Die Kollektoren werden dabei der Deklination der Sonne im Verlauf des Jahres nachgeführt. Durch diese einachsige Nachführung ist nur während einer täglichen Betriebsdauer von etwa ± 1,5 Stunden um die Mittagszeit eine ausreichend gute Energie­ ausbeute gewährleistet und eine Klimatisierung der unter dem Glasdach liegenden Räume tritt nicht in dem erforderlichen Maße ein.
In der vorliegenden Einrichtung werden in die Glaseindeckung integrierte Fresnel-Zylinderlinsen aus transparentem Kunststoff mit höherer Konzentration und besseren lichttechnischen Eigenschaften verwendet sowie, mittels moderner Glasdachkonstruktionen wie Multipoint-Systeme und Netztragwerke, die Abschattungeffekte verringert. Durch eine zweiachsige Nachführung der Absorber kann über eine Dauer von sechs Stunden der direkt eingestrahlten Wärme nahezu vollstandig auf die Absorber gelenkt wird und während der restlichen 6 Stunden Einstrahldauer der überwiegende Teil der nicht total reflektierten oder gestreuten Strahlung. Durch die Kombination der genannten Effekte wird eine erheblich verbesserte Energieausbeute des Systems erzielt und ein starker Klimatisierungseffekt in den Räumen unter dem Glasdach erzeugt.
Geeignet sind in unseren Breitengraden südlich-orientierte Dachflächen mit einer Neigung von 20° bis 60° zur Horizontalen wie Wintergärten, Lichthöfe, Firstverglasungen, Aus­ stellungs- und Messehallen, Sport- und Freizeitzentren, Gartenzentren und Gewächshäuser sowie Industrie- und Gewerbegebäude. Anstatt einer normalen Glaseindeckung werden vorgefertigte Verbundglasscheiben mit integrierten Fresnel-Zylinderlinsen aus transparentem Kunststoff verwendet. Es kann sowohl das gesamte Dach des Gebäudes mit den Verbund­ scheiben belegt werden als auch nur ein Teil davon, wobei die gesamte Belegungsfläche als Kollektorfläche fungiert, was die Erzeugung von großen solaren Wärmemengen ermöglicht. Die integrierten Fresnel-Zylinderlinsen bündeln die direkte Sonneneinstrahlung mit einer Konzentration von etwa 10 Sonnen auf unter dem Glasdach in den Brennlinien angebrachte Absorbersysteme, welche die Sonnenenergie in Nutzwärme umwandeln und aus dem Rauminnern abführen. Durch den erzeugten Klimatisierungseffekt wird eine Überhitzung und Blendung in dem unter dem Dach liegenden Räumen vermieden und es kann, auch bei direkter Sonneneinstrahlung im Hochsommer, auf ein Beschattungs- und Klimatisierungs­ system gänzlich verzichtet werden. Die Verbundscheiben mit den integrierten Fresnel-Zylinderlinsen besitzen eine hohe Transparenz und Lichtdurchlässigkeit sowie einen hohen g- (Energieeintrag) und niedrigen k-Wert (Energieverlust). Das durchgehende diffuse Sonnen­ licht und Streueffekte an den Fresnel-Linsen erzeugen im Rauminnern ein blendungsfreies und kontrastarmes, helles Tageslicht, ähnlich einer indirekten Beleuchtung. Im Winter und in den Übergangszeiten können die Absorber aus den Brennlinien genommen werden, so daß die Sonneneinstrahlung in direkter Weise als Raumheizung genutzt werden kann. Die unter dem Glasdach verlaufenden Absorber sind in weitem Abstand voneinander angebracht und stellen keine Beeinträchtigung der Transparenz des Glasdaches dar. Sie können als archi­ tektonisch attraktive Gestaltungselemente des unter dem Glasdach liegenden Raumes genutzt werden. Die in den Kollektoren erzeugte Nutzwärme wird mittels eines Wärmeträger­ mediums aus dem Raum abgeführt, wobei, aufgrund der Konzentration der Sonnenenergie, auch höhere Temperaturen bis zu 150° und darüber wirtschaftlich erreicht werden können. Bei Temperaturen unter 100°C wird als Wärmeträgermedium Wasser ohne Antifrost-Zusatz verwendet, da sich alle Komponenten im Rauminnern befinden. Bei höheren Temperaturen wird Wasser unter Druck oder ein geeignetes Wärmeöl verwendet. Um Wärmeverluste zu minimieren und eine Raumabkopplung zu erreichen, werden dabei in Vakuumröhren unter­ gebrachte Absorber verwendet. Aufgrund der Sonnenbewegung im Verlauf des Tages und Jahres ergibt sich eine Brennlinienwanderung der Fresnel-Zylinderlinsen, die eine Nachfüh­ rung der Absorber erforderlich macht. Mittels einer programmgesteuerten, zweiachsigen Mechanik werden die Absorber dem Sonnenstand im Azimut (Tageslauf der Sonne) und in der Deklination (Jahreslauf der Sonne) nachgeführt, um eine optimale Energieausbeute und minimalen Raumeintrag zu erreichen. Eine größere Anzahl von Absorbern wird zu Modulen zusammengefaßt und gemeinsam nachgeführt. Die Nachführung kann beliebigen Dachneigun­ gen angepaßt werden und zeichnet sich durch Unauffälligkeit aus. Die erzeugte Wärme kann zur Brauchwassererwärmung wie auch zur Heizungsunterstützung, z. B. mittels Latent-, Wasser- und Erdspeicher, dienen. Aufgrund der durch die Konzentration erzielbaren hohen Temperaturen bieten sich weite Anwendungsmöglichkeiten auf dem Gebiet der Prozeßwärme sowie der Betrieb von nachgeschalteten Absorptionsanlagen zur Klimatisierung und Kälte­ erzeugung, insbesondere für südliche Klimazonen, an. Durch auf den Absorbern angebrachte PV-Elemente kann, kombiniert zur thermischen Nutzung, kostengünstig elektrischer Strom erzeugt werden, da durch das konzentrierte Sonnenlicht weniger PV-Fläche benötigt und zusätzlich der Wirkungsgrad verbessert wird. Besonders vorteilhaft kann die vorliegende Technologie in südlichen Ländern mit hoher direkter Sonneneinstrahlung angewendet werden. Die dabei erzielbaren Wärmemengen und elektrischen Energieerträge liegen bis vierfach so hoch wie in unseren Klimazonen.
In den Schemazeichnungen Fig. 1 und Fig. 2 sind die wichtigsten Baugruppen und Merkmale der Einrichtung dargestellt: Fresnel-Zylinderlinsen 1, Absorbersysteme 2 und der Strahlen­ gang durch die Fresnel-Zylinderlinsen 3. In der Abbildung Fig. 3 ist der Strahlengang 1 in Abhängigkeit von der Deklination der Sonne (Jahresgang der Sonne) dargestellt und die erforderliche Nachführung 2 der Kollektoren aufgezeigt. Die Abbildung Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Konfektionslösung A für eine Glas-Verbundscheibe integrierten Fresnel-Zylinderlinsen aus transparentem Kunststoff geeignet für kundenspezifische Anforderungen wie Wärme- und Schallschutz, Bruchsicherheit etc. und eine "aufklipsbare" Fresnel-Zylinderlinse B, geeignet für Nachrüstungen von bestehenden Glaseindeckungen. In der Darstellung A sind die innere und äußere Glasscheibe 1 und 4, die Fresnel-Zylinderlinse aus transparentem Kunststoff 2 und die Zwischenräume 3 gekennzeichnet. Die Darstellung B zeigt Verbundscheiben einer bestehenden Sicherheitsverglasung mit Zwischenspalt 1, 2 und 3, welche mit einer Fresnel-Zylinderlinse 4 aus transparentem Kunststoff nachgerüstet wurde. Die Gebrauchsmuster-Anmeldungen DGM 295 18 303.9 (Anmelder: Herr Köhler, Dr. Rumer) und DGM 296 02 089.3 (Anmelder: Herr Köhler, Dr. Rumer) beschreiben verschiedene technische Lösungsmöglichkeiten für Fresnel-Zylinderlinsen in Glaseindeckun­ gen. Die nachfolgende Abbildung Fig. 5 zeigt eine Glasdachkonstruktion mit Fresnellinsen 1, die zweiachsige, lineare Nachführmechanik 2 und 3, die in zwei nachgeführten Koordina­ ten dem Gebäude und dem Dach angepaßt ist (die Koordinaten werden dadurch i.a. nicht mehr rechtwinklig sein), sowie die gekoppelten Absorbersysteme 4. Ebenso dargestellt sind die Zu- und Abführungsschläuche 5 des Wärmeträgermediums. In der Abbildung Fig. 6 sind die Nachführbewegungen der Absorber im Azimut 1 und in der Deklination 2 angegeben sowie die Zu- und Abführungsschläuche 3 für das Wärmeträgermedium dargestellt und mögliche Durchströmungsrichtungen 4 der Absorber gekennzeichnet. Die Zu- und Abfüh­ rungsschläuche für das Wärmeträgermedium können getrennt oder gemeinsam in "Kabel­ schleppeinrichtungen" zweidimensional beweglich nachgeführt werden.
Herkömmliche solare Nachführungen kommen für die genannte Einrichtung nicht in Frage, da sie entweder nicht in das Gebäude integrierbar sind, oder den benötigten Effekt nicht leisten. Zylinderlinsen, deren Zylinderachse nicht in der Ebene, definiert aus Erdachse und Standort der Sonne, liegt, benötigen eine Nachführung, die nicht im Azimut der Sonne, sondern in der Ebene, definiert durch Zylinderachse und Sonne, nachführt. DGM 08 162.7 (Anmelder: Herr Köhler) beschreibt eine neuartige Einrichtung, die eine extrem leichte und unauffällige Konstruktion der Absorberaufhängung ermöglicht. Die Nachführung ist eindimensional und hat daher die bereits erwähnten Nachteile. In der Gebrauchsmuster-Anmeldung DGM 694 12 436.1 (Anmelder: Herr Köhler, Dr. Rumer) ist eine Einrichtung zur Nachführung der Absorber beschrieben, welche auf einem eindimensional, kreisförmig schwenkbarem Mechanismus basiert, wodurch eine verbesserte Energieausbeute erreichbar ist, vom technischen Aufwand und optisch gesehen jedoch nicht attraktiv ist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Konstruktion, die es ermöglicht eine Absorberaufhängung nach DGM 08 162.7 in eine zweidimensionale Nachführung zu integrieren und damit über den Tages- und den Jahresverlauf die Absorber immer in die optimale Position zu bringen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Konstruktion ist, daß sie besonders unauffällig in das Gebäude integriert werden kann und damit kein wesentliches Störelement in dem unter dem Glasdach befindlichen Wohnraum, Büro, Werkhalle oder dergleichen darstellt.

Claims (14)

1. Einrichtung zur Nutzwärme- und/oder Stromerzeugung für Glasdachkonstruktionen mit Klimatisierung der darunter liegenden Räume bei Erhalt der Transparenz- und Tageslichtbeleuchtung, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem Dach angebrachte, von einem Wärmeträgermedium durchflossene Absorber, zweiachsig dem Tages- und Jahresverlauf der Sonne nachgeführt werden.
2. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verbundscheiben mit integrierten oder Scheiben mit angebrachten Fresnel-Zylinderlinsen aus transparentem Kunststoff Verwendung finden.
3. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß Scheiben mit Fresnel-Zylinderlinsen-Beschichtungen oder Fresnel-Zylinderlinsenfolie Verwendung finden.
4. Anspruch nach 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem Glasdach zweiachsig, mechanisch bewegliche Absorbersysteme im Konzentrationsbereich der Fresnel-Zylinderlinsen angebracht sind.
5. Anspruch nach 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorber einfache vom Wärmeträgermedium durchflossene Blechabsorber oder Absorber in Vakuumröhren oder Glas- bzw. Kunststoffröhren sind.
6. Anspruch nach 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechabsorber zum Rauminnern gedämmt oder verspiegelt sind, mit oder ohne selektive Beschichtungen nach oben.
7. Anspruch nach 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß PV-Elemente als Absorber zur Solarstrom-Erzeugung verwendet werden.
8. Anspruch nach 7, dadurch gekennzeichnet, daß die PV-Elemente auf einer von einem Kühlmittel durchflossenen Vorrichtung montiert sind, wobei das Kühlmittel zur Wärmegewinnung in niederem Temperaturbereich genutzt werden kann.
9. Anspruch nach 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorber zu Modulen zusammengefaßt werden und mittels Wagen oder Schlitten ohne starre Verbindung zwischen den Wagen oder Schlitten an den Absorberenden geführt und synchron bewegt werden.
10. Anspruch nach 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Position der Wagen oder Schlitten durch ein Meßsystem bestimmt wird.
11. Anspruch nach 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführung linear in zwei Ebenen, die nicht notwendig senkrecht aufeinander stehen, durchgeführt wird, insbesondere, daß eine Achse senkrecht steht und die andere parallel zur Glasdachneigung.
12. Anspruch nach 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführmechanik mittels eines Rechenprogrammes für die Sonnenbewegung und einer Funkuhr programmgesteuert wird.
13. Anspruch nach 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorber zur Raumheizung mittels direkter Sonneneinstrahlung und zur Vermeidung hoher Stillstandstemperaturen aus den Brennlinien genommen werden können.
14. Anspruch nach 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführung der Absorber so geregelt werden kann, daß nur Überschußwärme abgeführt wird.
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