DE19916514B4 - Nachführbarer Sonnenkollektor - Google Patents

Abstract

Nachführbarer Sonnenkollektor mit einer Absorbereinheit, die Spiegelrinnen und Fluidleitungen aufweist, wobei die Spiegelrinnen Stirnwandabschlüsse besitzen, über welche die Lage relativ zu den Fluidleitungen definiert ist, die Fluidleitungen zumindest im wesentlichen parallel zu einander angeordnet und radial ausgedehnt sind und wobei sich
ein Stellelement quer zur Vielzahl der Spiegelrinnen erstreckt, um diese Spiegelrinnen gemeinsam um die jeweiligen Fluidleitungen zu schwenken,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Stirnwandabschlüsse eine U-förmige, zumindest im wesentlichen mittig angeordnete und weg vom Rinnenboden weisende Ausnehmung zur Aufnahme der Fluidleitung aufweisen,
die Fluidleitungen Schwenklager tragen, an welchen die Spiegelrinnen-Stirnwand abschlüsse befestigt sind, um so die Schwenkachsen zu definieren, um welche die Spiegelrinnen geschwenkt werden können, und daß die Schwenklager in den U-förmigen Ausnehmungen positioniert sind.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen nachführbaren Sonnenkollektor mit einem auf die Absorbereinheit richtbaren Reflektormittel.
• Nachführbare Sonnenkollektoren an sich sind bekannt. Die Nachführung dient dazu, das im Verlauf eines Tages einfallende Sonnenlicht möglichst vollständig auf Absorbereinheit zu richten, um so eine höhere Energieausbeute zu erzielen.
• Aus der DE 44 30 517 C2 ist ein Rinnenkollektor für Strahlung, insbesondere für Solarstrahlung bekannt, umfassend einen sich in einer Längsrichtung erstreckenden Rinnenspiegel, welcher die Strahlung in einen Fokusbereich reflektiert, und einen sich in der Längsrichtung im Fokusbereich des Rinnenspiegels erstreckenden Absorberrohrkörper, welcher zur Abfuhr der entstehenden Wärme von einem Wärmetransportmedium durchflossen ist und welcher eine sich in seiner Längsrichtung erstreckende, zwischen zwei Seitenkanten liegende Vertiefung aufweist, die einen mit einer von den Seitenkanten gebildeten Öffnung dem Rinnenspiegel zugewandt ist und durch einen eine Absorberfläche tragenden Absorberschirm begrenzt ist, wobei dieser Absorberrohrkörper einen Innenraum aufweist, und wobei in dem Innenraum des Absorberrohrkörpers ein einen im wesentlichen runden Querschnitt aufweisendes Verdampferrohr zum Wärmetransport in der Längsrichtung verläuft und wobei das Verdampferrohr über ein zwischen dem Verdampferrohr und dem Absorberschirm angeordnetes Wärmetransportmedium zum Wärmetransport quer zur Längsrichtung thermisch mit dem Absorberrohr gekoppelt ist. Der Rinnenkollektor der DE 44 30 517 C2 soll sich dabei in einer Längsrichtung über mehrere hundert Meter erstrecken und der Rinnenspiegel als Parabolspiegel ausgebildet und aus einer Vielzahl von Spiegelelementen aufgebaut sein, die an einem Spiegelgestell gehalten sind und gemeinsam eine sich in der Längsrichtung erstreckende und quer zur Längsrichtung parabolische Spiegelfläche bilden. Es wird beschrieben, daß die parabolische Spiegelfläche ankommende Solarstrahlung in eine sich in ihrer Längsrichtung erstreckende Fokallinie, also Brennlinie, in welcher der Absorberstrang liegt, fokussiert.
• Der Absorberstrang wird über Haltestreben an dem Spiegelgestell gehalten und es wird beschrieben, daß dieses Spiegelgestell zur genauen Ausrichtung der Spiegelfläche relativ zur Solarstrahlung verschwenkbar ist. Die Haltestreben sind dabei gemäß DE 44 30 517 C2 in regelmäßigen Abständen in der Längsrichtung aufeinander folgend angeordnet, um den Absorberstrang präzise in der Fokallinie ausgerichtet zu halten. Es wird weiter angegeben, daß der Absorberstrang starr mit dem Spiegelgestell des Rinnenspiegels über die Haltestreben gekoppelt ist, sodaß bei einem Verschwenken des Spiegelgestells, um dieses der Einfallsrichtung der Solarstrahlung nachzuführen, der Absorberstrang mit verschwenkt wird, sodaß die Ausrichtung Absorberfläche relativ zur Spiegelfläche steht und unverändert bleibt.
• Aus der US 41 03 672 ist ein nachführbarer Sonnenkollektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekanntgeworden. Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen nachführbaren Kollektor zu schaffen, der einfach und kostengünstig zu installieren ist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den anhängigen Ansprüchen.
• Die Fluidleitung ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit einer absorbierenden Beschichtung und/oder aus einem hochabsorbierenden Material gefertigt. Einsetzbar sind schwarze Kunststoffe und/oder insbesondere lackierte Metallrohre und dergleichen. Es ist also nicht erforderlich, etwa besonders empfindliche und/oder zerbrechliche, volltransparente Rohre zu verwenden, auch wenn die Brennlinie theoretisch in der Fluidleitung zu liegen kommt. Durch die Absorberbeschichtung ist gewährleistet, daß die fokussierte Solarenergie in das transportierte Fluid gelangt.
• Erfindungsgemäß sind die Spiegelrinnen mit Stirnwänden versehen, die eine allgemein U-förmige, mittig angeordnete Ausnehmung zur Aufnahme der Fluidleitung aufweisen, wobei der Bogen des U zum Spiegelrinnenboden weist, sodaß die Spiegelrinnen auf einfache Weise von unten unter die Fluidleitung gesetzt werden kann. Die Fluidleitung definiert daher bevorzugt die Schwenkachse selbst, wozu sie Schwenklager trägt, an welchen die Spiegelrinnen, über die Stirnwände und die U-förmigen Ausnehmungen, befestigt sind.
• Wenn im Betrieb einzelne Parabolrinnen oder deren Spiegel beschädigt werden, sind diese durch die Befestigung mit U-förmiger Ausnehmung ohne Beeinträchtigung der Gesamtfunktion leicht auswechselbar.
• Es ist zwar möglich, daß sich das Stellelement nicht über alle Spiegelrinnen erstreckt, beispielsweise, um bei extrem großen Dächern eine nur schwache Stellelementmotorauslegung zu ermöglichen, bevorzugt werden aber alle Spiegelrinnen durch ein einziges Stellelement angetrieben.
• Das Stellelement wird einen Stellweg von zumindest 90 Grad ermöglichen, was die Fluidleitungen für einen hinreichend langen Zeitraum auf oder in der Brennlinie hält; der Schwenkweg wird dann so eingestellt, daß die Sonnenstrahlung während der Zeit ihrer größten Intensität auf der Fluidleitung fokussiert bleibt.
• Bevorzugt ist es jedoch, wenn das Stellelement einen Schwenkwinkel von über 180 Grad, insbesondere etwa 225 Grad ermöglicht. Auf diese Weise kann im Bedarfsfall der Spiegel aus der Sonne gedreht werden, beispielsweise auf die Dachfläche zuweisend. Diese zum Schutz des nachführbaren Sonnenkollektors erfolgende Verschwenkung kann insbesondere vorgenommen werden, wenn eine Fluidpumpe, mit welcher Fluid durch die Fluidleitung gepumpt wird, defekt ist, ein Fluidleck auftritt usw., sodaß die auf die Fluidleitung oder einzelne Fluidleitungsäste fokusierte Solarenergie nicht abgeführt werden kann, was bei insbesondere parabolförmigen Spiegelrinnen zu überhitzungsbedingten Schäden führen kann. Eine weitere Notwendigkeit, die Spiegelrinnen in eine Position mit nach oben weisender Trogrinne zu drehen, ergibt sich beispielsweise bei Hagel, bei welchem die Spiegelanordnung andernfalls beschädigt werden könnte. Um ein Schwenken in eine Sicherungsposition zu gewährleisten, sind typischerweise Überhitzungsschutz- und/oder Niederschlagssensoren vorgesehen, die ein Ausgangssignal an eine Steuerung liefern, welche für das Schwenken der Spiegelrinnen in eine Sicherungsposition im Ansprechen auf die Sensorsignale sorgt. Als Überhitzungsschutzsensoren sind beispielsweise Temperatursensoren auf den einzelnen Fluidleitungen, wie Temperatursensoren und/oder Fluidsensoren, die ein Vorhandensein oder eine Abwesenheit von Wärmetransportfluid erfassen, einsetzbar. Insbesondere, wenn die Spiegelrinne in eine sonnen- bzw. himmelabgewandte Sicherungsposition verschwenkbar ist, können auf ihrer Rückseite wärmedämmende bzw. stoßdämpfende Schichten angebracht sein, um den erwünschten Überhitzungsschutz bzw. einen Hagelschutz zu verbessern und zu vervollkommnen.
• Als Stellelement kann insbesondere eine an den Spiegelrinnen angreifende Kette, insbesondere Zahnradkette vorgesehen sein, wobei an den Spiegelrinnen entsprechende Zahnräder vorgesehen sind, die in die Gliederkette eingreifen. Eine derartige Anordnung ermöglicht eine vollständige Rotation der Spiegelrinne, sofern das Schwenklager entsprechend ausgebildet ist. Alternativ kann eine Schubstange vorgesehen sein, an welcher zu den Spiegelrinnen führende Schwenkarme angelenkt sind.
• Das Stellelement hat bevorzugt einen Schrittmotor zum Antrieb, der sonnenstandsabhängig und/oder in Zeitfunktion gesteuert wird. Alternativ ist, um eine bestimmte Sonnenbahn nachzufahren, auch die Verwendung von Kulissenbahnen und dergleichen möglich.
• Die Erfindung wird im folgenden nur beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt
• 1 einen nachführbaren Sonnenkollektor der vorliegenden Erfindung.
• Nach 1 umfasst ein mit 1 bezeichneter nachführbaren Sonnenkollektor eine Absorbereinheit 2 und ein verschwenkbares Reflektormittel 3.
• Die Absorbereinheit besteht aus einer Anzahl paralleler Fluidleitungen 4a, 4b, 4c, 4d, welche über eine gemeinsame Fußsammelleitung 5 mit kühlem Fluid versorgt werden und aus welchen erwärmtes Fluid durch eine gemeinsame Kopfsammelleitung 6 abge führt wird. Die Verbindungen zwischen den Fluidleitungen 4 und 5 bzw. 4 und 6 sind starr und fluiddicht.
• Die parallelen Fluidleitungen 4 weisen im Beispiel eine Länge von etwa 1 bis 2 Metern auf, die aber je nach Größe des Daches (nicht gezeigt), auf welchem sie montiert werden, variiert werden kann, insbesondere auch durch Hintereineinanderschaltung mehrerer Fluidleitungsteilstücke insbesondere unter Verwendung von zwischengeschalteten Sammelleitungen. Die Fluidleitungen 4 sind vorzugsweise aus Metall oder wetterbeständigem Kunststoff wie PVC gebildet und mit einer hochabsorbierenden schwarzen Farbe beschichtet oder gebildet. Die Fluidleitungen 4 weisen im Beispiel einen Durchmesser von ca. 3 cm auf, was eine hinreichende Fläche bereitstellt, auf welche die fokussierte Solarenergie auftreffen kann und was auch bei nicht zu starken und somit gut wärmedurchlässigen Wänden allgemein hinreichend ist, eine langzeitstabile Form zu gewährleisten.
• Das Reflektormittel 3 umfaßt eine parabolförmige Spiegelrinne 7 für jede Fluidleitung 4a, 4b, 4c, 4d. An beiden zu den Sammelleitungen 5 bzw. 6 weisenden Enden ist jede Spiegelrinne mit je einer Stirnwand 9 versehen, an welcher eine allgemein U-förmige Ausnehmung 8 vorgesehen ist, deren U-Bogen zum Spiegelrinnenboden weist. Die Spiegelrinne 7 ist z.B. aus Kunststoff hergestellt, der durch Spiegelfacetten oder durch aufgeklebte Aluminiumfolie 7a verspiegelt ist.
• Die Verbindung zwischen den Stirnwänden 9 der Spiegelrinnen 7 zu den Fluidleitungen 4 erfolgt über Schwenklager 8a, die von der Fluidleitung getragen werden. Die Schwenklager 8a sind mit der Stirnwand 9 und der U-förmigen Ausnehmung 8 verbunden.
• Die Spiegelrinne 7 ist so konstruiert und montiert, daß ihre Brennlinie bei Ausrichtung auf die Sonne innerhalb der Fluidleitung 4 fällt.
• An der zu den Sammelleitungen 5 und 6 gewandten Stirnwand 9 ist die Spiegelrinne 7 mit einem starren Arm 10 verbunden, der über ein Gelenk 11 mit einer Schubstange 12 verbunden ist, die sich quer zu allen Spiegelrinnen 7 erstreckt und von einem Stellmotor 13 angetrieben wird.
• Der Abstand der Fluidleitungen 4 zueinander, zwischen den Fluidleitungen 4a und 4b, durch die Bemaßung A dargestellt, ist so gewählt, daß sich bei Verschwenken der Spiegelrinnen zwischen den Maximalpositionen keine Abschattung der benachbarten Spiegelrinne ergibt.
• Der Schrittmotor 13, die Schubstange 12, das Gelenk 11 und der Arm 10 bilden ein Stellelement, mit welchem die Spiegelrinne vesschwenkt werden kann. Eine Steuerung (nicht gezeigt) ist mit dem Stellmotor 13 verbunden, um den Schrittmotor wie erforderlich zu bewegen.
• Der nachführbare Sonnenkollektor der vorliegenden Erfindung wird betrieben wie folgt:
  Zunächst wird bei aufgehender Sonne die Spiegelrinne auf diese mit dem Stellmotor 13 durch die Steuerung (nicht gezeigt) geschwenkt, indem die Schubstange 12 in die entsprechende Position bewegt wird. Das Fluid in den Leitungen 4a, 4b, 4c, 4d beginnt sich durch die auf die Fluidleitung fokussierte Strahlung schon in der morgendlichen Sonne schnell zu erwärmen und wird zu einem per se bekannten Wärmetauscher oder einer Wärmepumpe usw. durch Sammelleitung 6 mit einer Umwälzpumpe abgezogen, während kühleres Fluid über die Fußleitung 5 nachströmt. Währenddessen wandert die Sonne über den Himmel und die Steuerung (nicht gezeigt) gibt Nachführsignale an den Schrittmotor 13 aus, der dementsprechend die Schubstange 12 so bewegt, daß die Spiegelrinnen 7 dem Gang der Sonne folgend nachgeschwenkt werden. Hierbei bleiben die Brennlinien der Spiegelrinnen 7 in den Fluidleitungen, sodaß sich auf der Spiegelrinne zugewandten Außenseite der Fluidleitung eine hohe Temperatur durch die stark fokussierte Sonnenstrahlung ergeben kann. Die dabei in die Fluidleitungen 4 eingebrachte Energie wird wiederum mit dem über Leitung 5 zugeführten Fluid zu der Sammelleitung 6 abgeführt und einem Wärmetauscher zu Brauchzwecken zugeführt. Dies setzt sich fort, bis die Sonne untergeht. Dann wird die Fluidpumpe abgestellt.
• Auf diese Weise kann während eines ganzen Tages dauerhaft eine große Menge an Strahlungsenergie in das Fluid transferiert und Brauchzwecken zugeführt werden.
• Es versteht sich, daß Modifikationen möglich sind. So kann über der Spiegelrinne eine Abdeckung vorgesehen werden, um diese vor Wettereinflüssen zu schützen. Typisch wird jedoch für Kollektortemperaturen von bis zu 65 Grad eine derartige Glasabdeckung nicht erforderlich sein, was insbesondere für südliche Länder den nachführbaren Sonnenkollektor erheblich verbilligt. Wenn mit diffuser Bewölkung gerechnet werden muß, können gleichrichtende Gläser eingesetzt werden.
• Anders als vorstehend mit Bezug auf das Beispiel beschrieben, können die Fluidleitungen
  wesentlich länger als 1 bis 2 m gebildet werden, z.B. bis zu 10 m lang. Es ist dann möglich, statt einer einzigen Spiegelrinne pro Fluidleitung mehrere Spiegelrinnen an ein und derselben Fluidleitung anzubringen, also quasi in Reihe zu schalten. Dies ist z.B. erwünscht, wenn auf sehr großen Dächern trotz langer Fluidleitungen Spiegelrinnen mit einer
  genormten Einheitsgröße verwendet werden sollen und/oder eine hinreichende Stabilität aufgrund der Länge andernfalls einen zu großen Materialaufwand nach sich zieht. Es können dann in einem solchen Fall mehrere Gruppen aus Spiegelrinnen gebildet werden,
  die jeweils gemeinsam mit einem einzigen Stellelement angetrieben werden. Die Gruppen können untereinander zudem mechanisch verkuppelt werden, um so trotz Verwendung von vergleichsweise kurzen Spiegelrinnen mit einem einzigen Stellelement für alle seriell und parallel angeordneten Spiegelrinnen auszukommen. Ein ganzes Spiegelrinnenfeld wird so mit einem einzigen Motor antreibbar.
• Der Durchmesser der Fluidleitung kann abweichen von dem als bevorzugt angegebenen Wert und etwa zwischen 2 und 5 cm liegen. Als Material für die Fluidleitung kann insbesondere auch Stahl, Kupfer oder ein anderes Metall verwendet werden.
• Auch für die Spiegelrinnen sind andere Materialien außer Kunststoff einsetzbar.

Claims (10)

1. Nachführbarer Sonnenkollektor mit einer Absorbereinheit, die Spiegelrinnen und Fluidleitungen aufweist, wobei die Spiegelrinnen Stirnwandabschlüsse besitzen, über welche die Lage relativ zu den Fluidleitungen definiert ist, die Fluidleitungen zumindest im wesentlichen parallel zu einander angeordnet und radial ausgedehnt sind und wobei sich ein Stellelement quer zur Vielzahl der Spiegelrinnen erstreckt, um diese Spiegelrinnen gemeinsam um die jeweiligen Fluidleitungen zu schwenken, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnwandabschlüsse eine U-förmige, zumindest im wesentlichen mittig angeordnete und weg vom Rinnenboden weisende Ausnehmung zur Aufnahme der Fluidleitung aufweisen, die Fluidleitungen Schwenklager tragen, an welchen die Spiegelrinnen-Stirnwand abschlüsse befestigt sind, um so die Schwenkachsen zu definieren, um welche die Spiegelrinnen geschwenkt werden können, und daß die Schwenklager in den U-förmigen Ausnehmungen positioniert sind.
2. Nachführbarer Sonnenkollektor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß an ein und derselben langen Fluidleitung mehrere Spiegelrinnen angeordnet sind.
3. Nachführbarer Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidleitungen mit einer Absorberbeschichtung und/oder aus hochabsorbierendem Material gefertigt sind.
4. Nachführbarer Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidleitung aus einem Metall- oder Kunststoffrohr gebildet ist.
5. Nachführbarer Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Stellelement quer über alle Spiegelrinnen hinweg erstreckt.
6. Nachführbarer Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement für die Verschwenkung der Spiegelreihen um zumindest 90 Grad ausgebildet ist.
7. Nachführbarer Sonnenkollektor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Sensor zur Erfassung Überhitzung und/oder Niederschlag vorgesehen ist und dieser mit einer Steuerung verbunden ist, welche das Stellelement im Ansprechen auf einen vom Sensor erfassten Niederschlag und/oder einer erfaßten oder als bevorstehend erfaßten Überhitzung die Spiegelrinne aus der Sonne, insbesondere mit dem Rücken zur Sonne dreht.
8. Nachführbarer Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Spiegelrinnenrückseite wärmedämmendes und/oder stoßdämpfendes Material vorgesehen sind.
9. Nachführbarer Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellelement eine an den Spiegelrinnen angreifende Kette vorgesehen ist.
10. Nachführbarer Sonnenkollektor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß an den Spiegelrinnen Zahnräder vorgesehen sind, welche zumindest einseitig in die als Gliederkette ausgebildete Stellelementkette eingreifen.