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Die
Erfindung betrifft ein Solarkollektor umfassend eine lineare Linse
und eine Absorbereinrichtung in der Fokuslinie der Linse.
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Aus
dem Stand der Technik sind Solarkollektoren bekannt, bei denen einfallende
Sonnenstrahlung durch lineare Linsen auf eine Fokuslinie fokussiert
werden. Entlang dieser Fokuslinie ist eine Absorbereinrichtung angeordnet.
Die auf die Absorbereinrichtung auftreffende, gebündelte Sonnenstrahlung
erwärmt
die Absorbereinrichtung, die wiederum die Wärme durch Wärmeübertragung an ein durch die
Absorbereinrichtung strömendes
Wärmeträgermedium
abgibt. Die im erhitzten Wärmeträgermedium
gespeicherte Energie kann dann beispielsweise mithilfe von Wärmetauschern
nutzbar gemacht werden.
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Die
bekannten Absorbereinrichtungen weisen einen nicht-optimalen Wirkungsgrad
bei der Umwandlung von Strahlungsenergie in nutzbare Wärmeenergie
auf. So wird u. a. ein Teil der eintreffenden Sonnenstrahlung reflektiert
und nicht in Wärme
umgewandelt.
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Ausgehend
von dem Eingangs genannten Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, einem Solarkollektor mit linearer Linse und Absorbereinrichtung
zu schaffen, bei der der Wirkungsgrad der Absorbereinrichtung und
damit auch der des gesamten Solarkollektors erhöht ist.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Demnach
betrifft die Erfindung ein Solarkollektor umfassend eine lineare
Linse zur Bündelung von
auf die Linse auftreffende Sonnenstrahlung zu einer Fokuslinie und
eine entlang der Fokuslinie der Linse erstreckender Absorbereinrichtung,
wobei die Absorbereinrichtung ein zur Linse geöffnetes Trägerprofil umfasst und in dem
Trägerprofil
ein Absorber vorgesehen ist, der auf seiner der Linse zugewandten
Seite eine sich entlang der Brennlinie erstreckende muldenförmige Ausbildung
aufweist und parallel zur muldenförmigen Ausbildung wenigstens
zwei Durchflusskanäle
zur Durchleitung eines Wärmeträgermediums
vorgesehen sind.
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Der
Wirkungsgrad des Absorbers wird zum einen durch das Vorsehen der
muldenförmigen
Ausbildung, zum anderen durch das Vorsehen wenigstens zweier Durchflusskanäle erhöht.
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Durch
die muldenförmige
Ausbildung kann erreicht werden, dass von der Oberfläche des
Absorbers im Bereich der muldenförmigen
Ausbildung reflektierte Einstrahlung nicht mehr oder in geringerem Maße an die
Umgebung abgegeben wird. Durch entsprechende Ausgestaltung der muldenförmigen Ausbildung
kann nämlich
erreicht werden, dass zunächst reflektierte
Sonnenstrahlung ein zweites Mal auf den Absorber auftrifft. Sonnenstrahlung,
die beispielsweise am tiefsten Punkt der muldenförmigen Ausbildung reflektiert
wird, kann im Bereich der Seitenwand der muldenför migen Ausbildung ein zweites
Mal auf den Absorber auftreffen. Wenigstens ein Teil der zunächst reflektierten
Sonnenstrahlung kann dabei absorbiert werden, womit sich die Gesamtsumme
der absorbierten Sonnenstrahlung erhöht.
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Um
diesen Effekt zu verstärken
ist es bevorzugt, wenn die muldenförmige Ausbildung einen bauchigen
Querschnitt senkrecht zur Brennlinie aufweist. „Bauchig” im Sinne dieser Erfindung
bedeutet, dass die Breite der muldenförmigen Ausbildung an einem Punkt
in der muldenförmigen
Ausbildung größer ist, als
die Breite der Öffnung
der muldenförmigen
Ausbildung. Die Wahrscheinlichkeit, dass von der Linse kommende
Sonnenstrahlung nach einer ersten Reflektion innerhalb der muldenförmigen Ausbildung
ein zweites Mal auf die Wand der muldenförmigen Ausbildung auftrifft,
wird dadurch erhöht.
Die Öffnung
der muldenförmigen
Ausbildung weist vorzugsweise eine Breite von 20 bis 40 mm, weiter
vorzugsweise 25 bis 35 mm, weiter vorzugsweise 30 mm auf. Die maximale
Breite der bauchigen, muldenförmigen
Ausbildung beträgt
vorzugsweise 35 bis 55 mm, weiter vorzugsweise 40 bis 50 mm, weiter
vorzugsweise 45 mm.
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Um
den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen, kann
vorgesehen sein, den Absorber im Bereich der muldenförmigen Ausbildung
wärmeabsorbierend
zu behandeln. Dies kann beispielsweise durch das Aufbringen schwarzer,
gut wärmeleitender
Farbe geschehen.
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Erfindungsgemäß wird der
Wirkungsgrad des Absorbers weiter erhöht, indem wenigstens zwei Durchflusskanäle vorgesehen
sind. Gegenüber
einem einzigen Durchflusskanal, wie er im Stand der Technik Verwendung
findet, bietet das Vorsehen wenigstens zweier Durchflusskanäle bei gleich
bleibender (Gesamt-)-Querschnittsfläche eine
größere Kontaktfläche zwischen
Wärmeträgermedium
und Absorber. Der Wärmeaustausch
wird dadurch verbessert. Außerdem
lassen sich höhere
Strömungsgeschwindigkeiten
des Wärmeträgermediums
in den Durchflusskanälen
erreichen ohne das die Zieltemperatur des Wärmeträgermediums, d. h. die Temperatur
die das Wärmeträgermedium
nach durchlaufen des Absorbers aufweist, reduziert werden müsste. Es
wird eine schnellere Wärmeaufnahme
durch das Wärmeträgermedium
erreicht.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Durchflusskanäle jeweils einen Durchmesser
von 4 bis 10 mm, vorzugsweise 5 bis 9 mm, weiter vorzugsweise 6
bis 8 mm aufweisen.
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Um
eine gute Wärmeübertragung
zwischen muldenförmiger
Ausbildung und den Durchflusskanälen
zu gewährleisten,
ist es bevorzugt, den Absorber aus dem Vollen zu fertigen, wobei
vorzugsweise die Durchflusskanäle
dann als Bohrungen ausgeführt sind
und/oder die muldenförmige
Ausbildung gefräst ist.
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Es
ist bevorzugt, wenn der Absorber aus Kupfer gefertigt ist. Kupfer
weist gute Wärmeleitfähigkeiten
auf und ist aufgrund einer Warmfestigkeit bzw. Streckgrenze bei
350°C von
bis zum RP0,2 = 240 μ/mm2 für die zu
erwartenden Temperaturen ausreichend wärmebeständig. Außerdem ist ein Absorber aus
Kupfer gut korrosionsbeständig.
Ein Absorber kann bevorzugt zwischen 6 und 10 m lang sein.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass der Absorber in einem Trägerprofil
gelagert wird. Dies bietet den Vorteil, dass der Absorber selbst
keine strukturellen Kräfte
aufnehmen muss, sondern diese vom Trägerprofil übernommen werden können. Damit
kann der Absorber einzig und allein für einen maximalen Wirkungsgrad
in Bezug auf die Energieumwandlung optimiert werden. Das Trägerprofil
ist zur Linse hin geöffnet,
d. h. auf seiner der Linse zugewandten Seite ist am Trägerprofil
eine Aufnahme für den
Absorber vorgesehen. Die Aufnahme kann als Nut ausgeführt sein.
Bei dem Trägerprofil
kann es sich beispielsweise um ein U-Profil han deln, dessen offene
Seite der Linse zugewandt ist und in dem der Absorber zu liegen
kommt.
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Damit
die Temperaturbelastung des Trägerprofils
möglichst
gering gehalten wird, ist vorzugsweise zwischen Absorber und Trägerprofil
eine Isolierung vorgesehen. Die Isolierung hat weiterhin zur Folge,
dass weniger Wärmeenergie
vom Absorber an dem Trägerprofil übertragen
und von dort an die Umgebung abgegeben wird. Ein Wärmeverlust
wird so verhindert. Durch die Isolierung wird die gewünschte Wärmeübertragung
von Absorber zum Wärmeträgermedium
begünstigt.
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Der
Absorber ist vorzugsweise gegenüber der
Isolierung und/oder dem Trägerprofil
zum Ausgleich unterschiedlicher Wärmeausdehnungen verschiebbar
gelagert. Im Laufe eines Tag-Nacht-Zyklus variiert die Temperatur
des Absorbers erheblich. Der Absorber unterliegt daher großen Wärmedehnungsschwankungen,
die ungleich denen des Trägerprofils und/oder
der Isolierung sind. Indem der Absorber verschiebbar gelagert ist,
werden Spannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungen der einzelnen
Bauteile vermieden.
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Für eine kostengünstige Herstellung
ist es bevorzugt, wenn das Trägerprofil
als stranggepresster Aluminiumträger
ausgeführt
ist.
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Es
ist bekannt, dass Solarkollektoren mit einer Linse und einem Absorber
der Sonne nachgeführt
werden müssen.
Ansonsten ist nicht sichergestellt, dass sich der Absorber in der
Fokuslinie der Linse befindet und tatsächlich Energie gewonnen werden
kann.
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Es
ist möglich,
der Solarkollektor um eine Achse im Bereich der Linse schwenkbar
gelagert ist und die Durchflusskanäle der Absorbereinrichtung durch
flexible Schläuche
angebunden sind. Die Absorbereinrichtung und die Linse sind dabei
drehfest miteinan der verbunden. Wenn nun die Sonne im Verlauf eines
Tages wandert, kann der Solarkollektor nachgeführt werden, so dass die Absorbereinrichtung
immer in der Fokuslinie der Linse bleibt. Über die Anbindung durch die
flexiblen Schläuche
kann weiterhin das Wärmeträgermedium
durch die Durchflusskanäle
geleitet werden.
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Alternativ
ist es möglich,
die Linse und den Absorber drehfest zu verbinden und an wenigstens einem
Ende der Absorbereinrichtung einen Abschlussdeckel vorzusehen, der
einen hohlen Lagerzapfen aufweist, wobei die Durchflusskanäle über Anschlussrohre,
die vorzugsweise einen Wärmeausgleichsbogen
aufweisen, an dem hohle Lagerzapfen angeschlossen sind. Bei dieser
Ausführungsform
lässt sich
der Solarkollektor zusammen mit der Absorbereinrichtung um die Achse,
die durch den Lagerzapfen verläuft,
schwenken. Dazu ist vorzugsweise an beiden Ende der Absorbereinrichtung je
ein Abschlussdeckel mit einem Lagerzapfen vorgesehen. Die Drehachse
des Solarkollektors verläuft dann
durch beide Lagerzapfen und der Solarkollektor kann durch Drehung
entlang dieser Achse der Sonne nachgeführt werden.
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Zur
Anbindung der Durchflusskanäle
ist vorgesehen, dass der Lagerzapfen hohl ausgeführt ist, und durch Anschlussrohre
mit den Durchflusskanälen
verbunden ist. Ein in den Hohlraum des Lagerzapfens eingebrachtes
Wärmeträgermedium kann
durch die Anschlussrohre in die Durchflusskanäle gelangen. Durch den vorzugsweise
vorgesehenen vergleichbaren Anschlussdeckel am anderen Ende der
Absorbereinrichtung kann das Wärmeträgermedium
abfließen.
Es ist aber auch möglich,
den Hohlraum im Lagerzapfen zweizuteilen, wobei der eine Teil der
Zuführung,
der andere Teil dem Abfluss des Wärmeträgermediums dient. Die Anbindung
des Lagerzapfens an eine Zuleitung und/oder einen Abfluss kann durch
eine geeignete Drehverbindung erfolgen.
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Es
ist bevorzugt, wenn es sich bei der linearen Linse um eine lineare
Fresnel-Linse handelt. Bei dem Wärmeträgermedium
kann es sich bevorzugt um Wärmeträgeröl oder Wasserdampf
handeln.
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Die
Erfindung wird nun anhand vorteilhafter Ausführungsform unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Schnitt durch einen ersten erfindungsgemäßen Solarkollektor;
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2 eine
Detailvergrößerung der
Absorbereinrichtung des Solarkollektors aus 1;
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3 ein
Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Solarkollektors;
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4 eine
Detailvergrößerung der
Absorbereinrichtung des Solarkollektors aus 3; und
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5 eine
teilweise seitliche Schnittansicht der Absorbereinrichtung aus 4.
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In 1 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Solarkollektors 1 in
einer Schnittansicht dargestellt. Der Solarkollektor 1 umfasst
eine lineare Linse, deren Fokuslinie senkrecht zur Zeichnungsebene
durch den Punkt 3 verläuft.
In 1 ist der Strahlengang einzelner Strahlen 9 beim senkrechten
Auftreffen der Sonnenstrahlung auf den Solarkollektor 1 dargestellt.
Diese Strahlen werden alle in der Fokuslinie 3 gebündelt. Der
Abstand zwischen Linse 2 und Fokuslinie 3 beträgt ca. 1.000
mm.
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Die
lineare Linse 2 ist als Fresnel-Linse ausgeführt. Die
lineare Linse 2 ist lösbar
an einem Aufnahmerahmen 4 befestigt. Aufgrund der lösbaren Befestigung
an dem Aufnahmerahmen 4 lässt sich die lineare Linse 2 bei
Beschädigung
einfach ersetzen.
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Mit
der Linse 2 über
die Tragarme 5 fest verbunden ist eine Absorbereinrichtung 10.
Die Absorbereinrichtung 10 verläuft entlang der Fokuslinie 3 und
erstreckt sich somit ebenfalls senkrecht zur Zeichnungsebene. Die
Absorbereinrichtung 10 kann eine Länge von 4 bis 10 m aufweisen.
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Der
Solarkollektor 1 ist um die Achse 5, die parallel
zur Fokuslinie 3 im Bereich der linearen Linse 2 bzw.
deren Aufnahme 4 verläuft,
drehbar gelagert. Die Achse 5 verläuft also senkrecht zur Zeichnungsebene.
Aufgrund der drehbaren Lagerung lässt sich der Solarkollektor 1 der
Sonne nachführen,
so dass sich die Absorbereinrichtung 10 immer entlang der Fokuslinie 3 befindet.
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In 2 ist
eine vergrößerte Darstellung
der Absorbereinrichtung 10 aus 1 wiedergegeben. Die
Absorbereinrichtung 10 umfasst ein Trägerprofil 11, das
als zur linearen Linse 2 geöffnetes U-Profil ausgestaltet
ist. Das Trägerprofil 11 ist
aus Aluminium gefertigt und kann stranggepresst sein. An der Außenseite
des Trägerprofils 11 sind
Anschlussstücke 13 vorgesehen,
an die die Tragarme 5 zur Verbindung mit der linearen Linse 2 bzw.
deren Befestigungsrahmen 4 (vgl. 1) befestigt
werden können.
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In
dem Trägerprofil 11 ist
der von Isoliermaterial 12 teilweise umgebene Absorber 20 verschiebbar
gelagert. Die Verschiebbarkeit dient dem Ausgleich unterschiedlicher
Wärmeausdehnungen
von Trägerprofil 11,
Isoliermaterial 12 und/oder Absorber 20. Je nach
Wärmeausdehnungskoeffizienten
der einzelnen Komponenten kann die Verschiebbarkeit zwischen Trägerprofil 11 und
Isoliermaterial 13 oder zwischen Isoliermaterial 12 und
Absorber 20 vorgesehen sein.
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Der
Absorber 20 weist eine muldenförmige Ausbildung 21 auf,
die bauchig ausgeführt
ist. Das bedeutet, dass die Breite der Öffnung (angedeutet durch den
Doppelpfeil 22) geringer ist, als die Breite 23 im
Inneren der muldenförmigen
Ausbildung. Die muldenförmige
Ausbildung 21 erstreckt sich entlang der Fokuslinie 3.
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Ein
beispielhaft dargestellter durch die lineare Linse 2 abgelenkte
Sonnenstrahl 9' trifft
im Bereich der muldenförmigen
Ausbildung 21 auf den Absorber 20 auf und wird
dort teilweise absorbiert, teilweise reflektiert. Der reflektierte
Strahl 9'' trifft noch
ein zweites Mal im Bereich der muldenförmigen Ausbildung 21 auf
den Absorber 20 und kann dort wenigstens teilweise absorbiert
werden. Indem der Strahl 9', 9'' „zweimal” absorbiert wird, ist der
Absorptionsgrad insgesamt erhöht
und es geht bei der erwünschten Energiewandlung
von Strahlungsenergie zu Wärmeenergie
weniger Energie durch Verluststrahlung verloren. Bereits hierdurch
wird eine Steigerung des Wirkungsgrades des gesamten Solarkollektors 1 erreicht.
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Um
den Absorptionsgrad im Bereich der muldenförmigen Ausbildung 21 weiter
zu erhöhen,
kann die Oberfläche
des Absorbers 20 in diesem Bereich wärmeabsorbierend behandelt sein.
Beispielsweise kann dort gut wärmeleitende,
schwarze Farbe aufgetragen sein.
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Damit
die von der Linse 2 kommende Strahlung auf den Absorber 20 treffen
kann, ist der Absorber 20 zumindest im Gereicht der Öffnung der
muldenförmigen
Ausbildung 21 frei von der Isolierung 12. Der
Absorber 20 wird durch die Sonnenstrahlung 9 aufgeheizt.
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Durch
den Absorber 20 verlaufen parallel zur Fokuslinie 3 bzw.
zur muldenförmigen
Ausbildung 21 vier Durchflusskanäle 25. Jeder dieser
Durchflusskanäle 25 ist
kreisrund im Querschnitt und weist einen Durchmesser von 4 bis 6
mm auf. Durch die Durchflusskanäle 25 wird
Wärmeträgermedium
geleitet, wobei es zu einem Wärmeübergang
vom Absorber 20 zum Wärmeträgermedium
an der Wand 26 der Durchflusskanäle 25 kommt. Indem – anders
als im Stand der Technik – nicht
nur ein Durchflusskanal vorgesehen ist, kann bei gleich bleibendem
Gesamtquerschnitt die an der Wärmeübertragung
aktiv beteiligte Fläche
(die Wand 26 der Durchflusskanäle 25) vergrößert werden.
Damit wird die Wärmeübertragung
insgesamt erhöht,
was sich positiv auf den Wirkungsgrad des Solarkollektors auswirkt.
Außerdem lassen
sich höhere
Strömungsgeschwindigkeiten
des Wärmeträgermediums
durch die Durchflusskanäle 25 erreichen,
was sich ebenfalls positiv auf die Wärmeübertragung auswirkt.
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Der
Absorber 20 ist aus dem Vollen gefertigt, wobei die Durchflusskanäle 25 als
Bohrungen ausgeführt
sind und die muldenförmige
Ausbildung 21 gefräst
ist. Der Absorber 20 besteht aus Kupfer.
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Zur
Anbindung der einzelnen Durchflusskanäle 25 an eine Zuleitung
oder einen Abfluss sind flexible Schläuche (nicht dargestellt) vorgesehen.
Aufgrund dieser flexiblen Schläuche
ist die Schwenkbarkeit des Solarkollektors 1 (vgl. 1)
gegeben.
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In 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Solarkollektors 1 dargestellt.
Wiederum ist hierbei die lineare Linse 2 inklusive einer
Aufnahmevorrichtung 4 mit der Absorbereinrichtung 10 über starre
Tragarme 6 drehfest verbunden. Die Absorbereinrichtung 10 erstreckt
sich entlang der Fokuslinie 3 der linearen Linse 2 in
einem Abstand von ca. 1.000 mm. Der Solarkollektor ist entlang einer
Achse 5, die parallel zur Fokuslinie 3 im Bereich
der Absorbereinrichtung 10 schwenkbar in einem Bereich
von ±80° gelagert.
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Die
Absorbereinrichtung 10 aus 3 ist in 4 vergrößert dargestellt.
Der Absorber 20 der Absorbereinrichtung 10 ist
gleich dem Absorber 20 aus dem ersten Ausführungsbeispiel
(vgl. 1 und 2). Gleiches gilt für die Lagerung
des Absorbers 20 im Trägerprofil 11 sowie
das Vorsehen einer Isolierung 12. Es wird daher auf die
obigen Ausführungen
verwiesen.
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Das
Trägerprofil 11,
der Absorber 20 mitsamt Isolierung 12 aufnimmt,
weist einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt mit einem Durchmesser
von ca. 180 mm auf. Aufgrund dieses Kreisquerschnittes ist das Trägerprofil 11 besonders
verwindungssteif. Neben der U-förmigen
Aufnahme 14 für
den Absorber, aufgrund derer das Trägerprofil 11 zur Linse 2 hin geöffnet ist,
weist das Trägerprofil 11 über den
Umfang verteilte T-förmige
Einbuchtungen 15 auf. An diesen Einbuchtungen 15 können die
Tragarme 6 befestigt werden.
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In 5 ist
eine seitliche Schnittansicht der Absorbereinrichtung 10 aus 4 dargestellt,
wobei der Schnitt durch die Achse 5 verläuft und
lediglich der Endbereich der Absorbereinrichtung 10 dargestellt
ist.
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Die
Absorbereinrichtung 10 wird durch einen Abschlussdeckel 30 begrenzt.
Der Abschlussdeckel 30 umgreift die Absorbereinrichtung 10 mit
einem Bund 31 und ist an diesem mit Schrauben 32 befestigt.
Die Schrauben 32 können
z. B. in die Einbuchtungen 15 am Trägerprofil 11 eingreifen.
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Weiterhin
ist am Abschlussdeckel 30 ein hohler Lagerzapfen 33 vorgesehen.
Durch den Lagerzapfen 33 verläuft die Achse 5, um
die der gesamte Solarkollektor 1 geschwenkt werden kann.
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Die
Durchflusskanäle 25 im
Absorber 20 der Absorbereinrichtung 10 sind über Anschlussrohre 34 mit
dem Lagerzapfen verbunden. Die Anschlussrohre 34 weisen
dabei Wärmeausgleichsbögen 35 auf, mit
dem Verschiebungen des Absorbers 20 gegenüber dem
Trägerprofil 11 bzw.
dem Abschlussdeckel 30 aufgrund von Wärmeausdehnungen ausgeglichen werden
können.
Indem der Lagerzapfen 33 über die Anschlussrohre 34 mit
Durchflusskanälen 25 verbunden
ist, kann der Lagerzapfen 33 zur Zuleitung des Wärmeträgermediums
in den Durchflusskanälen 25 verwendet
werden.
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Der
Lagerzapfen 33 ist in einem Lagerbock 40 gelagert,
wobei der Lagerbock 40 zur einfacheren Montage zweiteilig
ausgeführt
ist. Damit der Solarkollektor 1 schwenkbar bleibt, muss
eine Drehkupplung 41 vorgesehen sein, mit der das Wärmeträgermedium
von einer Zuleitung in den Lagerzapfen 33 und somit die
Durchflusskanäle 25 eingebracht
werden kann.
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Zur
automatischen Nachführung
des Solarkollektors 1 ist an dem Abschlussdeckel 30 ein
Zahnsegment 37 vorgesehen, in den ein Stellmotor (nicht dargestellt)
eingreifen kann.
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Am
gegenüberliegenden
Ende der Absorbereinrichtung 10 ist eine ähnliche
Konstruktion mit Abschlussdeckel 30 und hohlem Lagerzapfen 33 vorgesehen.
Diese dient dann dem Abfluss des Wärmeträgermediums.