DE2702297A1 - Fuehrungsvorrichtung zur kontinuierlichen ausrichtung eines sonnenkollektors - Google Patents

Fuehrungsvorrichtung zur kontinuierlichen ausrichtung eines sonnenkollektors

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Description

27P?297
Patentanwälte
Dipl.-Ing. W.Beyer
Dipl.-Wirtsch.-Ing. B.Jochem
Frankfurt/VIain Staufenstraße
National Aeronautics and
Space Administration (NASA)
Washington, D.C. 20 546/USA
Führungsvorrichtung zur kontinuierlichen
Ausrichtung eines Sonnenkollektors
Die Erfindung betrifft eine Führungsvorrichtung zur kontinuierlichen Ausrichtung eines Sonnenkollektors, bestehend z.B. aus einem Reflektor und einem in dessen Brennpunkt angeordneten Adsorber, auf die Sonne.
Führungsvorrichtungen, die es gestatten, mit Geräten oder Instrumenten dem Lauf der Gestirne über den Himmel zu folgen, sind seit langem bekannt. Sie bestehen normalerweise aus einer komplizierten Anordnung von Kardanringen, mit deren Hilfe Drehbewegungen um zwei Achsen überlagert werden. Diese bekannten Führungsvorrichtungen erfordern beträchtlichen konstruktiven Aufwand·
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Wegen der Schwierigkeiten mit untereinander gelenkig verbundenen Kardanringen sind auch schon Versuche mit einer PUhrungsvorrichtung mit sich schneidenden Nockenführungen unternommen worden, mit deren Hilfe eine Translationsbewegung einer einzigen Achse erzeugt wurde, um so das Nachführen des Geräts im Laufe eines Tages und eines Jahres zu erleichtern. Auch derartige FUhrungsvorrichtungen haben sich jedoch als sehr kompliziert und teuer erwiesen.
Das Problem der kontinuierlichen Ausrichtung eines Geräts auf ein Gestirn wird nun besonders dringlich durch die zunehmende Verbreitung von Sonnenkollektoren, und der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine im Vergleich zu den bisher bekannten sehr einfache und deshalb auch sehr zuverlässige PUhrungsvorrichtung der eingangs bezeichneten Art zu schaffen.
Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch eine parallel zur Polarachse drehbar angeordnete, mit Zwischenabstand nach diametral entgegengesetzten Seiten im wesentlichen gleich weit abgekröpfte Welle, die zwischen den äußeren Enden der Abkröpfungen einen zur Hauptachse der Welle schräg liegenden, geraden Tragteil bildet, auf welchem der Sonnenkollektor gelagert ist.
In bevorzugter Ausführung ist die Welle wenigstens tagsüber im wesentlichen kontinuierlich mit 15°A antreibbar und der Sonnenkollektor schrittweise oder kxmtinuler— lieh täglich im wesentlichen um 1° um den Tragteil der Welle drehbar. |
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
Pig. 1 Seitenansicht eines mittels einer erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung gelagerten Sonnenkollektors,
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Sonnenkollektor und die Führungsvorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Folge von Darstellungen einer Steuer— a> ' c welle der Führungsvorrichtung, welche diese nacheinander einnimmt, während sich die Erde von der Wintersonnenwende über die Tag- und Nachtgleiche im Frühling zur Sommersonnenwende fortbewegt,
Fig. 4 eine Folge schematischer Darstellungen, a» * c in denen jeweils die Lage der Erdachse und die zugeordnete Lage der in Fig. 3a, b, c dargestellten, den Reflektor eines Sonnen— kollektors senkrecht zur Richtung der einfallenden Sonnenstrahlen haltenden Welle nebeneinander dargestellt sind, während sich die Erde von der Wintersonnenwende über die Tag- und Nachtgleiche im Frühling zur Sommersonnenwende bewegt.
In der Zeichnung ist die dargestellte Führungsvorrichtung für einen Sonnenkollektor insgesamt mit 10 bezeichnet. Sie besteht aus zwei in Nord/Süd-Richtung angeordneten Füßen 12 und 14, die aus einem geeigneten tragfesten Material bestehen und auf einem nicht gezeigten Bett ruhen. Zur Führungsvorrichtung gehört weiterhin eth im wesentlichen ringförmiges Gehäuse 16, in das ein Reflektor 18 eingesetzt ist, der die einfallenden Sonnenstrahlen zu einem gemeinsamen Brennpunkt hin reflektiert. Wie aus
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der Zeichnung ersichtlich, bildet der Reflektor im wesentlichen einen Teil einer,Hohlkugel. Im Brennpunkt des Reflektors befindet sich ein geeigneter Absorber für die gesammelte Sonnenenergie. Letzterer wird durch mehrere Streben 22 gehalten, deren untere Enden in gleichmäßiger Verteilung über den Umfang des Gehäuses 16 mit diesem fest verbunden sind.
Am oberen Ende der Füße 12 und 14 sind in koaxialer Ausrichtung Lagerblöcke 24 bzw. 26 vorgesehen, deren Lagerbüchsen mit 28 bzw. 30 bezeichnet sind. Die Lagerbüchsen nehmen die Endzapfen einer gemäß Fig. 2 und 3 a, sowie 3 c abgekröpften Welle 32 drehbar auf.
Es handelt sich bei der Welle 32 um eine starre Welle, deren mittlerer, gerader Tragteil mit 34 bezeichnet ist. Beidseits des Tragteils sind nach diametral entgegengesetzten Seiten Endbereiche 36 bzw. 38 rechtwinklig abgewinkelt. Die Endbereiche 36 und 38 haben dieselbe Länge, die sich nach der maximalen Abweichung der Polarachse der Erde von einer normal zur Sonnenlinie liegenden Ebene richtet, wobei unter dem Begriff Sonnenlinie im vorliegenden Zusammenhang eine gerade Verbindungslinie von der Sonne zum Sonnenkollektor verstanden werden soll.
Die Endbereiche 36 und 38 der Welle 32 laufen jeweils in einem nochmals abgewinkelten Endzapfen 40 aus. Die beiden Endzapfen 40 sind in den Lagerbüchsen 28 und aufgenommen, wobei im montierten Zustand die Welle 32 um eine mit 42 bezeichnete Achse drehbar ist, die parallel zur Polarachse der Erde liegt. Die Achse 42 wird nachstehend der Einfachheit halber als Tagesachse bezeichnet, denn um diese Achse wird der Reflektor 18 jeden Tag mit gleichförmiger Drehgeschwindigkeit von 36O°/Tag gedreht, wobei er der Sonne folgt.
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Es ist besonders wichtig festzuhalten, daß die Lager— blöcke 24 und 26 so angeordnet sind, daß die Achse 42 schräg zu einer anderen, mit 44 bezeichneten Drehachse liegt, welche mit der Mittellängsachse des mittleren Tragteils der Welle 32 zusammenfällt. Die Achse 44 wird der Einfachheit halber nachstehend als Saisonachse bezeichnet, weil der Reflektor 18 um diese Achse mit einer Drehgeschwindigkeit von 1°/Tag gedreht wird, um über die Jahreszeiten hinweg die Stellung des Sonnenkollektors dem Sonnenstand folgen zu lassen.
Der mittlere Tragteil 34 der Welle 32 erstreckt sich, wie in der Zeichnung dargestellt, diametral durch das ringförmige Gehäuse 16, und zwar derart, daß die Saisonachse 44 parallel zum Reflektor liegt. Die Verbindung zwischen der Welle 32 und dem Gehäuse 16 erfolgt über ein paar geeignete Lagerbüchsen 46, die gestatten, daß das Gehäuse 16 und der Reflektor 18 bzw. ein anderer zum Auffangen der Sonnenstrahlen geeigneter Kollektortisch um den mittleren Tragteil 34 der Welle 32 und somit auch um die Saisonachse 44 gedreht werden können.
Als Antrieb für die schrittweise Drehung des Gehäuses um die Saisonachse 44 dient im Beispielsfall ein innerhalb des Gehäuses 16 gelagerter Motor 48. Die Abtriebswelle dieses Motors wirkt über eine mit 50 bezeichnete Getriebeverbindung auf die Welle 32. Die Getriebeverbin— dung 50 kann z.B. aus einer Schnecke 52 und einem mit dieser in-Eingriff stehenden Schneckenrad 44 bestehen, welches fest auf dem mittleren Tragteil 34 der Welle 32 sitzt.
Als Antrieb für die Drehung der Welle 32 um die Jsagesachse 42, d.h. für die tägliche Nachführbewegung des Reflektors dient ein Motor 56, der am Fuß 14 montiert und mit der Welle 32 über einen Getriebezug 58 verbunden ist. Letzterer besteht aus einem in Eingriff stehenden
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Zahnradpaar, deren eines auf der Abtriebswelle des Motors 56 und deren anderes auf einer äußeren Verlängerung 60 des Endzapfens 40 sitzt. Die Drehzahl des Motors 56 und die übersetzung des Getriebezugs zwischen diesem und der Welle 32 sind so gewählt, daß sich die Welle 32 mit konstanter Winkelgeschwindigkeit von 15° pro Stunde um die Tagesachse 42 dreht. Pallls gewünscht, kann ein Motor 56 mit Drehrichtungsumkehr Verwendung finden, so daß der Reflektor mit Bezug auf die Tagesachse 42 in seine Ausgangsstellung zurückgedreht werden kann, ohne einen vollen Umlauf von 360° auszuführen.
Wie am besten in Pig. 3a bis 3c dargestellt, nimmt die Saisonachse 44 während der Drehung der Welle 32 um die Tagesachse 42 nacheinander unterschiedliche Stellungen mit Bezug auf die zuletzt genannte Achse ein. Durch tägliches Weiterschalten des Reflektors mit Bezug auf die Welle um 1° ist es möglich, eine senkrechte Stellung der Saisonachse 44 mit Bezug auf die Sonnenlinie beizubehalten, während sich die Lage der Folarachse der Erde mit Bezug auf die Sonne gemäß Fig. 4a bis 4c ändert. Durch periodisches Weiterschalten kann somit auch der Reflektor 18 immer wieder senkrecht zur Sonnenlinie ausgerichtet werden, indem er z.B. schrittweise einmal pro Tag um den mittleren Tragteil 34 der Welle weitergedreht wird. Palis gewünscht kann das Weiterschalten auch kontinuierlich mit derselben Geschwindigkeit geschehen, mit der sich der Neigungswinkel der Folarachse der Erde mit Bezug auf die Sonne im Laufe eines Jahres ändert.
Um den Reflektor in Anpassung an die jährlichen Schwankungen der Neigung der Polarachse der Erde mit Bezug auf die Sonne täglich schrittweise um 1° weiterzuschalten, kann der Reflektor 18 mit Bezug auf die Zeichnung dabei jeweils entgegen dem Uhrzeigersinn um den mittleren Tragteil 34 der Welle 32 gedreht werden, während!
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sich die Welle 32 gleichzeitig im gleichen Maße in ent gegengesetzter Richtung dreht. Somit bleibt der Reflek tor 18 im wesentlichen in einer senkrecht zur Sonnenlinie liegenden Ebene, während die Neigung der Ebene mit Bezug auf die Polarachse der Erde entsprechend dem jahreszeitlichen Wechsel verändert wird.
Die beschriebene Vorrichtung funktioniert wie folgti
In der gezeigten Zusammenstellung der Teile wird der Reflektor 18 so eingestellt, daß er sowohl den jahreszeitlichen als auch den täglichen Bewegungen der Sonne mit Bezug auf den Aufstellplatz der Vorrichtung folgt. Die Ausgangsstellung der Führungsvorrichtung ist erreicht, sobald der Reflektor in einer zur Sonnenlinie senkrechten Ebene liegt. Das Nachführen des Reflektors während des Tages - und Jahresablauf wird dann richtig ausgeführt, wenn die eingestellte Lage des Reflektors 18 beibehalten wird, während aich die Erde um die Polarachse dreht und gleichzeitig auf ihrer elliptischen Bahn um die Sonne fortschreitet.
Um den Reflektor im Tageslauf der Sonne nachzuführen, wird der Motor 56 angetrieben, um die Welle 32 mit der konstanten Drehgeschwindigkeit der Erde um ihre Achse, d.h. mit 1/4 /tain, entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn um die Tagesachse 42 zu drehen.
Das Nachführen des Reflektors im Jahresablauf geschieht in der Weise, daß seine Drehwinkelstellung mit Bezug auf die Welle 32 täglich geändert wird. Zu diesem Zweck wird im Beispielsfall die Welle 32 einmal während 24 Stunden um 1° im Uhrzeigersinn um die Tagesachse gedreht, während der Reflektor 18 während derselben Zeit entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn um 1° um die Welle und somit um die Saisonachse 44 gedreht wird.
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Wenn ein kontinuierliches Nachführen des Reflektors gewünscht ist, werden Motoren ähnlich wie Synchronmotoren für Uhren benutzt, um gleichzeitig die Welle 32 um die Tagesachse und den Reflektor 18 um die Saisonachse zu drehen. Alternativ können auch durch einen geschlossenen Regelkreis gesteuerte Motoren Verwendung finden. Zu einem solchen System gehören vorzugsweise Nord-/Süd-Sensoren, die ein Referenzsignal für den Drehantrieb des Kollektors um die Saisonachse 44 erzeugen, sowie Ost-/ West-Sensoren zur Erzeugung eines Referenzsignals für den Antrieb der Welle 32 um die Tagesachse 42.
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung besteht in allen Fällen darin, daß damit Sonnenkollektoren durch sehr einfache Drehbewegungen ständig auf die Sonne ausgerichtet werden können.
Patentansprüche
«aaBBaaassassaa
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40 Leerseite

Claims (4)

  1. Patentansprüche
    Pührungsvorrichtung zur kontinuierlichen Ausrichtung eines Sonnenkollektors, bestehend z.B. aus einem Reflektor und einem in dessen Brennpunkt angeordneten Adsorber, auf die Sonne, gekennzeichnet durch eine parallel zur Polarachse drehbar angeordnete, mit Zwischenabstand nach diametral entgegengesetzten Seiten im wesentlichen gleich weit abgekröpfte Welle (32), die zwischen den äußeren Enden der Abkröpfungen einen zur Hauptachse (42) der Welle (32) schrägliegenden, geraden Tragteil (34) bildet, auf welchem der Sonnenkollektor (18, 20) gelagert ist.
  2. 2. Pührungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Welle (32) wenigstens tagsüber im wesentlichen kontinuierlich mit 15°/n antreibbar ist.
  3. 3. Pührungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sonnenkollektor (18, 20) um den Tragteil (34) der Welle (32) drehbar ist.
  4. 4. Pührungsvorrichtung nach Anspruch 3t dadurch gekennzeichnet, daß der Sonnenkollektor schrittweise oder kontinuierlich täglich im weeentlichen um 1° um den Tragteil (34) der Welle (32) drehbar ist.
    709833/0583
    N 3519/19.1.1977 ORIGINAL INSPECTED
DE2702297A 1976-01-29 1977-01-21 Nachführeinrichtung zur kontinuierlichen Ausrichtung eines Sonnenkollektors Expired DE2702297C2 (de)

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