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Die
Erfindung betrifft einen Solarkollektor entsprechend dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Der
Sonnenkollektor, Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wird zum
Auffangen und zur Konzentration der Sonnenenergie benutzt, da die
Sonnenstrahlen in ihrer normalen Empfangsbedingung für den größten Teil
der technologischen und praktischen Verwendungszwecke von nicht
ausreichender Stärke
sind.
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Es
ist bekannt, dass zur Zufriedenstellung dieser Anforderungen an
Auffangen, Sammeln und/oder Konzentration der Sonnenenergie Sonnenkollektoren
benutzt werden, die allgemein in zwei Gruppen unterschieden werden:
Nicht konzentrierende Kollektoren (mit flacher auffangender Oberfläche) und
Kollektoren zur Konzentration (mit reflektierender Oberfläche, die
alle Strahlen auf einem Absorber reflektiert).
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Die
Kollektoren des ersten Typs (Sonnenkollektoren) basieren auf der
Eigenschaft, dass eine schwarze/selektiv beschichtete Oberfläche, die
der Sonne ausgesetzt wird, die Sonnenstrahlen aufnimmt und in Wärmeenergie
umwandelt, die an eine Flüssigkeit
für den
Wärmetausch
abgegeben wird, welche in dem Kollektor selbst enthalten ist.
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Die
Kollektoren des zweiten Typs (Kollektoren zur Konzentration), auf
die sich die vorliegende Erfindung bezieht, bestehen in Übereinstimmung
mit der bekannten Technik aus einem optischen System aus Spiegeln,
geeignet zur Fokussierung der Sonnenstrahlung auf eine einzige gerade
Linie (oder auf einem Punkt), an der sich eine Leitung mit der zu
erwärmenden
Flüssigkeit
befindet.
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Weiterhin
ist zum Beispiel eine derartige Lösung aus der Offenlegungsschrift
DE 30 26 834 bekannt.
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Bei
der Benutzung der Sonnenkollektoren des bekannten Typs wird auf
folgende schwere Nachteile gestoßen:
- – Was besonders
nicht konzentrierende Sonnenkollektoren betrifft, so wird festgestellt,
dass sie einen niedrigen Nutzungsgrad liefern, besonders in den
Wintermonaten, da sie, wenn sie keine Konzentration der Sonnenstrahlung
bewirken, auch nicht zu erreichen von hohen Temperaturen führen können. Außerdem lassen
sich diese Geräte bei
extrem hoher Sonneneinstrahlung nicht abschalten und überhitzen
unnötig
das Solarsystem, wenn kein Warmwasserbedarf vorhanden ist.
- – Die
Sonnenkollektoren mit Fokussierung des bekannten Typs zwingen in
erster Linie, da sie meist aus einem Parabolspiegel bestehen, der
logischerweise groß ausgelegt
seien muss, zu hohen Herstellungs- und Installationskosten; in zweiter
Linie benötigen
sie eine komplexe mechanische Struktur, um so installiert zu werden,
dass dem Wind und den Witterungseinflüssen standhalten; drittens
Werden umfangreiche Mechanismen für die Bewegung nötig, da
die Achsen des Parabolspiegels stets zur Sonne hin gehalten werden
muss; viertens bilden sie Probleme in der Installierung auf Gebäuden, da
sie in der Wartung schwierig und auch von unschönen Aussehen sind.
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Zweck
der vorliegenden Erfindung ist der, die erwähnten und sich besonders auf
die Sonnenkollektoren mit Fokussierung des bekannten Typs beziehenden
Nachteile zu beseitigen.
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Das
Problem, welches der Erfindung zugrunde liegt, bezieht sich auf
die Überwindung
der erwähnten
Nachteile, indem die Verwirklichung eines flachen und festen Sonnenkollektors
ermöglicht
wird, jedoch vom Typ mit Fokussierung. Die vorliegende Erfindung
beruht auf dem Konzept, dass es nicht notwendig ist, die Sonnenstrahlung
auf eine dünne
Linie zu konzentrieren, wie es bei den Kollektoren mit reflektierender
parabolischer Oberfläche
erfolgt, da die Leitungen, welche die zu heizende Flüssigkeit
transportieren, einen bestimmten Schnitt haben und es folglich ausreichend
ist, die einfallenden Strahlungen auf diesen Schnitt zu konzentrieren
(besonders auf den Längsschnitt
in der Symmetrie der Leitung).
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Diese
Aufgaben werden durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst.
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Ein
besonders großer
Vorteil besteht darin, dass die Solarenergie, die auf einer großen Kollektorfläche eintrifft,
zu einer kleinen Fläche
reflektiert wird. Aufgrund der Bündelung
erfolgt nur die Erwärmung des
Absorberrohres, welches sich zusätzlich
in einem evakuierten Glasrohr befindet und dadurch noch weniger
Wärmeenergie
emittiert. Da hier nur eine kleine Fläche mit einer teuren Beschichtung
versehen werden muss, spart das zusätzlich Kosten ein. Das Gerät erzeugt
im Vergleich zu anderen Flachkollektoren bei gleichen Bedingungen
sehr hohe Vorlauftemperaturen. Zum einen ermöglicht es bei wenig Sonnenschein
den im Solarsystem befindlichen Pufferspeicher trotz dieser Gegebenheiten
aufzuheizen und zum anderen ist es möglich bei starker Einstrahlung
mit hoch erhitztem Wasser Geräte
anzutreiben, welche dann elektrischen Strom erzeugen oder Arbeit
verrichten. Da die Reflektoren elektronisch gesteuert werden, können sich,
im Falle dass kein Warmwasser benötigt wird, die Reflektoren
automatisch aus dem Licht drehen. Außerdem dient das dem Solarsystem
zusätzlich
als Schutz vor unerwünschten Überdruck.
Im vergleich zu Systemen mit Parabolspiegel bietet diese Vorrichtung
für den
Wind keine nennenswerte Angriffsfläche. Außerdem sind im Vergleich zum
Parabolspiegelsystem die Produktions-, Montage- und Instandhaltungskosten
geringer. In einem System aus mehreren Kollektoren muss nur ein
Kollektor einen Antrieb besitzen, weil die anderen Kollektoren mit
dem Einen verbunden sind und mit angetrieben werden können. Das
spart wieder Kosten und macht ein Solarsystem aus mehreren Geräten letztendlich
preiswerter. Vergleicht man den "Flachen
Sonnenkollektor zur Konzentration" aus der vorher genannten Offenlegungsschrift
30 26 834 mit der vorliegenden Erfindung, so stellt sich ein weitaus größerer Wirkungsgrad
heraus, da bei der vorliegenden Erfindung nahezu die gesamte einfallende
Solarenergie auf das Absorberrohr reflektiert wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im
Folgenden näher
beschrieben.
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht des gesamten Kollektors.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht der inneren Elemente des Gerätes
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3 zeigt
eine perspektivische Ansicht der inneren Elemente des Gerätes (mit
Haltevorrichtung (15))
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4 zeigt
eine perspektivische Ansicht vom Absorberrohr mit Glasrohr
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5 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Reflektors (10)
mit Drehachse (13)
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Skizze
6 zeigt die orthogonale Ansicht von den Positionen der Löcher für die Achsen
(13) in der Haltevorrichtung (15)
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7 zeigt
die Schnittdarstellung mit dem Verlauf der Sonnenstrahlen
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8 zeigt
die Draufsicht auf das System
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9 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Antriebssystems (16)
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10 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines horizontal betriebenen Kollektors
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11 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines möglichen Systems aus zwei Kollektoren.
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Der
Fokussierende Flachkollektor kann wie jeder andere Sonnenkollektor
schräg
auf einem Dach oder auf einer Ebene angebracht werden. Er besitzt ebenfalls
einen Kollektorvorlauf (8), aus dem das im Kollektor erhitzte
Wasser austritt, und einen Kollektorrücklauf (9), in dem
das kalte Wasser wieder zurück
strömt.
Das Gerät
kann in jedem beliebigen Solarsystem als Kollektor eingesetzt werden.
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Der
Fokussierende Flachkollektor setzt sich aus 7 Hauptkomponenten zusammen:
- – Absorberrohr
(4)
- – Reflektoren
(10)
- – Haltevorrichtung
(15)
- – Antriebssystem
(16)
- – Steuerungsorgan
(22)
- – Seitenreflektoren
(26)
- – Gehäuse (30)
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Der
Absorber (1) kann im einfachsten Fall aus einem schwarz
lackierten Rohr bestehen. Eine weitaus bessere Variante ist, wenn
ein Kupferrohr (3) mit besonders gut absorbierendem Material
beschichtet ist. Nach 4 befindet sich dieses beschichtete
Rohr (4) zusätzlich
in einem evakuierten Glasrohr (6), welches den Wirkungsgrad
zusätzlich erhöht. Der
Absorber (1) hat einen Anschluss für den Vorlauf (8)
und einen für
den Rücklauf
(9).
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Die
Reflektoren (10) haben die Aufgabe die Solarstrahlung zu
dem Absorberrohr (4) zu leiten. Da sich der Winkel der
einfallenden Strahlen aufgrund der Bewegung der Sonne ständig ändert, müssen die Reflektoren
(10) dem Stand der Sonne mittels eines geeigneten Antriebssystems
(16) nachgeführt
werden. Sie können
aus Spiegelglas oder einem andern hoch polierten Material bestehen,
wie beispielsweise Metall oder speziellen Kunststoffen. Gleiches
gilt für den
Seitenreflektor (26).
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Die
Position aber auch die Anzahl der Reflektoren (10) ist
vom Abstand (12) zwischen Absorberrohr (4) und
dem untersten Reflektor (11) abhängig. Eine weitere Abhängigkeit
besteht zwischen dem Durchmesser (5) des Absorberrohres
(4) und der Breite der einzelnen Reflektoren (10).
Daher gilt, dass der Rohraußendurchmesser
(5) gleich der Breite der Reflektoren (10) ist.
Die Länge
der Reflektorstreifen kann beliebig festgelegt werden.
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Um
die idealen Positionen der Reflektoren (10) in Abhängigkeit
des Einfallswinkels der Sonnenstrahlen zu ermitteln, kann wie folgt
vorgegangen werden:
Als erstes muss der Abstand (12)
zwischen Absorberohr (4) und dem untersten Reflektor (11)
frei festgelegt werden, der wiederum eine Auswirkung auf die Höhe des Kollektors
hat. Anschließend
wird der Rohrdurchmesser (5) ebenfalls frei gewählt. Danach setzt
man einen Reflektor nach den anderen (beginnend mit dem Untersten
(11)) so nebeneinander, dass jeder Reflektor, beim orthogonalen
Einfall der Sonnenstrahlen in den Kollektor, die Strahlen zu 100%
zum Absorberrohr (4) hinreflektiert. Das ergibt dann diese
besondere parabelförmige
Anordnung der Reflektoren (11). Zum Schluss werden die
Drehachsen (13) festgelegt. Die Drehachse (13)
der Reflektoren (10) kann mittig, wie in 5 gezeigt
wird, oder an einem anderen Punkt entlang des Reflektors (11)
liegen.
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Die
Haltevorrichtung (15) gibt den Reflektorachsen (13)
die für
die Drehung notwendige Lagerung. Sie stabilisiert zusätzlich das
Gehäuse
(30) und dient gleichzeitig als Aufnahme des Absorberrohres (4).
In Skizze 6 ist eine von vielen Möglichkeiten aufgeführt, wie
die Positionen der Bohrungen, in denen sich die Achsen (13)
drehen, in der Haltevorrichtung (15) angeordnet werden
können.
Je nach den Gegebenheiten müssen
die Werte aus der Skizze mit einem Faktor multipliziert, oder mit
der oben genannten Methode neu berechnet werden.
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Damit
sich die Reflektoren (10) nach dem Sonnenstand ausrichten
können,
wird ein Antriebssystem (16) benötigt. Hierfür sorgt ein Achsengestänge (17)
und ein Verbinder (18), so dass sich die Drehbewegung des
Elektromotors (21) auf die einzelnen Reflektoren (10) überträgt. Eine
weitere nicht dargestellte Antriebsvariante besteht darin, dass
die Drehachsen (13) mit einer Kette verbunden sind, welche
auf Zahnrädern
läuft.
Gleiches gilt auch unter Verwendung eines Riemengetriebes.
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Der
Motor (21) wird vom Steuerungsorgan (22) so angesteuert,
dass bei Sonnenschein die Reflektoren (10), mit einer der
Sonne angepassten Geschwindigkeit, bewegt werden. Um das Steuerungsorgan
(22) zu programmieren ist an der Oberseite des Gehäuses (30)
eine Schnittstelle (23) eingebaut. Ein Datenkabel (24)
ermöglicht
einen Informationsaustausch zwischen dem Steuersystem vom Solarkreislauf
und dem Steuerungsorgan (22) im Kollektor. Dadurch erhält das Gerät die Information
für den
Fall das kein Warmwasser mehr gebraucht wird, sodass sich die Reflektoren
(10) automatisch aus dem Licht drehen können. Die Stromversorgung erfolgt über einen
extemen Anschuss (25).
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An
den zwei Haltevorrichtungen (15) ist zusätzlich jeweils
ein Seitenreflektor (26) angebracht, welcher gewährleistet,
dass z.B. bei niedrigem Sonnenstand die über dem Absorberrohr (4)
hinaus reflektierten Strahlen ebenfalls zum Absorber (1)
reflektiert werden.
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Der
Rahmen (27), die Scheibe (28) und der Boden (29)
bilden zusammen das Gehäuse
(30), welches den Schutz vor äußeren Einwirkungen, wie Wind,
Regen, Schnee, niedrige Temperaturen usw., gewährleistet. Das Gehäuse (27)
ist gleichzeitig Träger
der einzelnen Komponenten. Die Größe variiert und hängt daher
von den Maßen
des optischen Systems ab. Die gesamte Apparatur kann aus Metall, Holz
oder Kunststoff gefertigt werden. Das Material der Scheibe (28)
besteht aus Plexiglas, Glas oder einer Folie.
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Ein
System aus zwei oder mehreren Geräten (wie in 11 dargestellt
ist) kann mit nur einem Antriebs- und Steuerorgan arbeiten. Hierfür müssen nur die
Achsengestänge (17)
der Kollektoren miteinander verbunden werden.
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In
einer nicht dargestellten Ausführung
ist es möglich
den Kollektor in einer vertikalen Lage zu betreiben, sodass die
Montage an einer Hauswand möglich
ist. Selbst der Betrieb in einer horizontalen Lage wie 10 zeigt
ist möglich.
In 1 und 2 ist die vertikale Version veranschaulicht.
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- 1
- Absorber
- 2
- Beschichtung
- 3
- Kupferrohr
- 4
- 2 und 3 ergeben
das beschichtete Absorberrohr
- 5
- Rohrdurchmesser
- 6
- Glasrohr
- 7
- Verschlusskappe
- 8
- Kollektorvorlauf
- 9
- Kollektorrücklauf
- 10
- Reflektor(en)/Spiegelflächen/Spiegel
- 11
- unterster
Reflektor
- 12
- Abstand
zw. unterster Reflektor (11) und Absorberrohr (4)
- 13
- Drehachsen/Reflektorachsen
- 14
- Reflektorhalter
- 15
- Haltevorrichtung
- 16
- Antriebssystem
- 17
- Achsgestänge
- 18
- Verbinder
- 19
- Hebel
- 20
- Schraube
mit Mutter (für
das Mitziehen des Hebels)
- 21
- Elektromotor
- 22
- Steuerungsorgan
- 23
- Schnittstelle
- 24
- Datenkabel
- 25
- Elektroanschluss
- 26
- Seitenreflektoren
- 27
- Rahmen
- 28
- Scheibe
- 29
- Boden
- 30
- Gehäuse
- 31
- Anschluss
für zweiten
Kollektor ohne eigenes Antriebsorgan