DE2704352A1

DE2704352A1 - Sonnenenergie-reflektor-kollektor

Info

Publication number: DE2704352A1
Application number: DE19772704352
Authority: DE
Inventors: Esperance Paul Martin L
Original assignee: L'ESPERANCE PAUL MARTIN; PAVLAK ALEX JOHN
Current assignee: L'ESPERANCE PAUL MARTIN; PAVLAK ALEX JOHN
Priority date: 1976-02-05
Filing date: 1977-02-02
Publication date: 1977-08-11
Also published as: CA1075942A; IN146366B; JPS52116254A; AU498806B2; ZA77454B; AU2176577A; IL51387A0; IL51387A; US4024852A

Description

MÜLLElt-BORE · DEUFIiI. · SCIkotf · HEHTEL PAT E NTANWALT E

270435?

DU. WOLFGANG MULLER-BORg (PATENTANWALT VON 1927 - 1975) DR PAUL DEUFEL, DIPL-CHEM. Dl! ALFRED SCHÖN. DIPL.-CHEM. WERNER HERTEL. DIPL.-PHYS.

München, denj-> 2. Ma/Rt - L 115o

Paul L'Esperance - Valley Forge, Pennsylvania USA Alex Pavlak - Phoenixville, Pennsylvania USA

Sonnenenergie-Reflektor-Kollektor

Die Erfindung betrifft ein System zum Sammeln von Sonnenenergie und insbesondere einen in solchen Systemen einsetzbaren, nicht mitlaufenden Kollektor fur fokussierte Sonnenenergie.

Es sind verschiedene Ausführungsformen von Kollektoren für Sonnenenergie entwickelt worden, um die Sonnenenergie in nutzbare Energie umzuwandeln. Auf Sonnenenergie beruhende

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Heizsysteme sammeln die Sonnenenergie und wandeln sie in Wärmeenergie um, die in einem Wärmesumpf oder Wärmereservoir gespeichert wird, bis sie schließlich bei Bedarf eingesetzt und verbraucht wird. Sonnenenergie wird auch durch fotoelektrische Energieumwandlungszellen gesammelt, welche die Sonnenenergie zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet; diese elektrische Energie wird dann in Speichereinrichtungen oder Batterien gespeichert, bis sie schließlich bei Bedarf eingesetzt wird.

Aus Wi rtschaftlichkeitsgründen war die Nutzung von Sonnenenergie bisher nur im begrenzten Umfang möglich, da die Kollektoren so groß sein müssen, daß die gesammelte Sonnenenergiemenge wirtschaftlich genutzt werden kann. So wird beispielsweise eine verwendbare Energiemenge erhalten, wenn die Sonneneriergiekollektoren in einer Sammelgruppe angeordnet sind, die einen wesentlichen Teil der Erdoberfläche bedeckt; dann läßt sich eine entsprechende Menge an Sonnenenergie sammeln und gewinnen. Die Sammeleinrichtungen, die zur Umwandlung der Sonnenenergie in nutzbare Energie erforderlich sind, sind jedoch relativ teuer, so daß die Kosten dieser Einrichtungen im allgemeinen proportional zu der Größe ihrer Oberfläche sind. Daraus ergibt sich wiederum, daß sich eine wesentliche Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Aufbaus von Anlagen erreichen läßt, die für die Sammlung der Energie erforderlich sind, wenn die Sonnenenergie fokussiert und konzentriert wirdj denn auf diese Weise läßt sich die Größe der Oberfläche verringern, die zur Sammlung einer bestimmten Energiemenge erforderlich ist.

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Bisher sind die Kollektoren, die mit fokussierter Sonnenstrahlung arbeiteten, so ausgelegt worden, daß sie die Sonnenenergie auf eine verringerte Sammlungsfläche fokussier ten oder konzentrierten, indem die Sammeleinrichtung direkt auf die Sonne gerichtet wurde und dem Lauf der Sonne folgte, wenn sie sich im Laufe des Tages vom Morgen bis zum Abend über den Himmel bewegte; außerdem folgte die Sammeleinrichtung auch der Höhe bzw. Elevation der Sonne über dem Horizont zwischen den im Sommer bzw. Winter vorliegenden Extremlagen. Obwohl solche fokussierten Kollektoren mit einem solchen Wirkungsgrad arbeiten sollten, das nutzbare Energie erzeugt wird, haben die Konstruktions-, Betriebs- und Wartungskosten dieses Mitlaufmechanismus die Anwendung der mitlaufenden, fokussierten Kollektoren in der Praxis bisher verhindert.

Unter Berücksichtigung dieser Ausführungen soll mit der vorliegenden Erfindung deshalb ein Kollektor für Sonnenenergie geschaffen werden, der die Sonnenenergie fokussiert, jedoch keinen Mitlauf- bzw. Mitführmechanismus für den Ganzjahresbetrieb erfordert.

Weiterhin soll eine neue Kollektorstruktur vorgeschlagen werden, die sich äußerst wirtschaftlich herstellen und montieren läßt und die trotzdem im Betrieb und Gebrauch einen hohen Wirkungsgrad hat.

Im einzelnen schafft die vorliegende Erfindung einen Kollektor, der reflektierende Oberflächen dazu verwendet, die Sonnenenergie in einer langgestreckten bzw. verlängerten Brennzone zu fokussieren; dadurch können in der Brennzone Standard-Kollektorelemente eingesetzt werden, um die

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Energie entweder für den sofortigen Gebrauch oder zur Speicherung für zukünftigen Gebrauch zu sammeln.

Mit der vorliegenden Erfindung kann die Energie durch Wärmetauschen mittels eines Wärmetauschermediums gesammelt werden; als Alternative hierzu kann die Energie auch durch fotoelektrische Umwandlungszellen gesammelt werden.

Der Kollektor nach der vorliegenden Erfindung ist im einzelnen so aufgebaut, daß das Reflektorelement näherungsweise eine halbzylindrische oder Halbrohr-Form mit einer reflektierenden Oberfläche an der inneren Oberfläche des halbrohrförmigen Elementes. Der halbrohrförmige Querschnitt wird durch zwei halbparabolische bzw. halbparabelförmige Oberflächen mit einem gemeinsamen Brennpunkt gebildet und aufeinander zu gedreht, so daß die Achsen der beiden Parabeln, welche die Oberflächen definieren, einen spitzen Winkel bilden, während die beiden Scheitelpunkte der Halbparabeln im Abstand voneinander liegen und durch eine konkav gewölbte reflektierende Oberfläche verbunden sind. Eine Kollektoreinrichtung erstreckt sich zwischen dem gemeinsamen Brennpunkt und der konkav gewölbten Verbindungsoberflache, so daß die gesamte Strahlungsenergie, die dort in einen Winkel eintritt, der zwischen den Winkeln der beiden Parabelachsen liegt, auf die Kollektoreinrichtung auftrifft, und zwar entweder direkt oder durch Reflexion an den halbparabolischen Oberflächen.

Die Erfindung schafft also ein System mit einem nichtmitlaufenden Reflektor-Kollektor für die Konzentration und Sammlung von Sonnenenergie. Eine Energie sammelnde

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Platte ist aufrecht bzw. senkrecht längs einer im wesentlichen horizontalen Achse angeordnet, die im wesentlichen mit der Ost-West-Richtung der Erde zusammenfällt. Die Kollektorplatte befindet sich in einem halbrohrförmigen Reflektor mit parabolischen Seitenwänden. Die Reflektoroberflächen an den gegenüberliegenden Seiten der Kollektorplatte sind Parabel-Oberflächen, die jeweils einen Brennpunkt haben, der näherungsweise mit der oberen Endkante der Kollektorplatte zusammenfällt. Die Achsen der Parabeln, welche die jeweiligen Oberflächen definieren, werden um ihren gemeinsamen Brennpunkt gedreht oder divergierend von ihrem gemeinsamen Brennpunkt in einem relativ großen Winkel. Die Reflektorseiten haben einen laminierten Aufbau mit einem Basisbereich aus einem leichten, starren Kunststoff-Bogen bzw. -Flächengebilde, mit einer Unterschicht aus Kunststoff-Wellpappe und mit einem reflektierenden Film an der inneren Oberfläche. Die Kollektorplatte empfängt die Energie, welche zwischen den reflektierenden Oberflächen in die Öffnung eindringt. Nach einer der bevorzugten Ausführungsformen erhöht die Platte die Temperatur eines durch sie fließenden Wärmetauschermediums. Das Wärmetauschermedium ermöglicht die Speicherung und die Verwendung der gesammelten Energie. Nach einer zweiten Ausführungsform empfängt die Kollektorplatte die Sonnenenergie, die zur Speicherung und zur Verwendung in elektrische Energie umgewandelt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

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Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines halbrohrförmigen reflektierenden Energiekollektors nach der vorliegenden Erfindung mit einer Kollektorplatte, die längs der Mittelebene des Kollektors angeordnet ist, wobei die Ausrichtung des Kollektors relativ zu der horizontalen Ost-West-Achse und der vertikalen Achse angedeutet ist;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den in Figur 1 dargestellten Kollektor, wobei die Parabelform der reflektierenden Oberflächen angedeutet ist, die den halbrohrförmigen Kollektor nach Figur 1 bilden;

Fig. 3 und 4 Ansichten zur Erläuterung des Einfalls der auf die reflektierenden Oberflächen des Kollektors auftreffenden Strahlungsenergie, wobei Figur 3 den Zustand darstellt, bei dem der Einfall parallel zu der Mittelebene des Kollektors erfolgt, während Figur 4 den Zustand darstellt, bei dem der Einfall parallel zu der Parabelachse einer der parabolischen Oberflächen des Kollektors erfolgt;

Fig. 5 im stark vergrößerten Maßstab eine fragmentarische perspektivische Ansicht einer bevorzugten Konstruktion der Reflektorstruktur nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 eine explodierte perspektivische Ansicht der in Figur 5 gezeigten Struktur mit einer Darstellung der getrennten Bauteile, die zur Bildung des Reflektors vereinigt werden»

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Fig. 7 eine typische Halterung zur Befestigung des Reflektor-Kollektors;

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines Kollektorfeldes mit einer Darstellung, wie die Strahlungsenergie durch die Verwendung eines Wärmetauschers und eines Wärmespeichersystems gesammelt wird;

Fig. 9 eine ähnliche Ansicht wie Figur 8, wobei ein Kollektorfeld dargestellt ist, das mit Fotoelementen bzw. Sperrschichtfotozellen arbeitet;

Fig. 1o im vergrößerten Maßstab eine Ansicht der in Figur 7 dargestellten Kollektoranordnung; und

Fig. 11 eine ähnliche Ansicht wie Figur 2 einer weiteren Ausführungsform eines Reflektor-Kollektors gemäß der vorliegenden Erfindung.

Wie sich aus den Zeichnungen und insbesondere aus Figur 1 ergibt, weist eine bevorzugte Ausführungsform des Kollektors einen halbrohrförmigen Körper bzw. Hauptteil 2o mit einer reflektierenden Oberfläche an seiner Innenseite auf, die, wie im folgenden im einzelnen beschrieben werden soll, so ausgelegt wird, daß die Strahlungsenergie, welche in die Öffnung zwischen den offenen Seiten des Körpers eintrifft, auf einen Kollektor 25 konzentriert oder fokussiert wird, der von dem Boden des halbrohrförmigen Körpers nach oben vorsteht. Bei dieser Ausführungsform dient der Kollektor dazu, die Sonnenenergie zu sammeln; zu diesem Zweck ist der Kollektor hochkant angeordnet, wie sich der Darstellung entnehmen läßt, und verläuft longitudinal längs einer

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Achse EW, die parallel zu der Ost-West-Richtung der Erde ist. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Mittelebene CP des Koll^ktorkörpers nach Süden in bezug auf die vertikale Achse VA in einem Winkel Θ-3 geneigt, welcher näherungsweise der geographischen Breite der jeweiligen Anlage entspricht.

Wie sich aus Figur 2 ergibt, haben die einander gegenüberliegenden inneren Seitenwände des rohrförmigen Körpers Parabelform; um die Darstellung übersichtlich zu gestalten, ist der Kollektor in Figur 2 schraffiert gezeigt, so daß eine obere Seitenwand 1o, eine untere Seitenwand 11 und eine Bodenwand 12 zu erkennen sind. Die Seitenwände 1o und 11 haben Parabelform mit einem gemeinsamen Brennpunkt 15. Die Achse der Parabel, welche die obere Seite 1o bildet, ist bei 16 mit strichpunktierten Linien dargestellt, während die Achse der Parabel, welche die untere Seite 11 bildet, bei I7 mit strichpunktierten Linien dargestellt ist. Die Seite 1o endet an ihrem inneren Ende bei dem Scheitel ihrer Parabelform, wie bei 18 angedeutet ist, während die Seite 11 an ihrem inneren Ende in ihrem Scheitel I9 endet. Bei der vorliegenden Ausführungsform hat die Bodenwand 12 Kreisform und verläuft tangential zu den parabolischen Oberflächen der Seitenwände 1o und 11. Hierbei sind die Brennweiten F, das heißt, der Abstand zwischen dem Brennpunkt und dem Scheitelpunkt, der beiden Parabeloberflächen 1o und 11 einander gleich, so daß der halbrohrförmige Reflektor symmetrisch zu einer Mittelebene CP ist, die den Winkel zwischen den Achsen 16 und I7 halbiert. Dieser Zusammenhang kann auch so ausgedrückt werden: Beginnt man mit einem Paar Halbparabeln, deren Achsen mit einer Mittelebene CP zusammenfallen und die einen gemeinsamen

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Brennpunkt 15 haben, so wird der halbrohrförmige Reflektor gebildet, indem die halbparabolische Oberfläche, welche die obere Seite 1o bildet, nach unten oder im Uhrzeigersinn von der Mittelebene durch einen Winkel Θ-1 um den Brennpunkt 15 gedreht wird. Umgekehrt wird die halbparabolische Oberfläche, welche die untere Seite 11 bildet, nach oben oder gegen den Uhrzeigersinn durch einen Winkel Θ-2 um den gemeinsamen Brennpunkt 15 gedreht. Die Scheitel der beiden halbparabolischen Oberflächen sind durch eine konkav gewölbte Oberfläche verbunden, die den Boden 12 des Reflektors bildet.

An ihren äußeren Rändern definieren die Seiten 1o und zwischen sich eine Öffnung A, durch die der Reflektor die Strahlungsenergie empfangen kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform hat die Öffnung A eine Breite, die gleich dem Vierfachen der Brennweite F der parabolischen Oberflächen ist. Bei der angegebenen Beziehung zwischen der öffnung und der Brennweite und bei gleichen Winkeln Θ-1 und Θ—2, wie es in der Figur dargestellt ist, ist die Tiefe D des Reflektors näherungsweise 2,2 mal so groß wie die Brennweite F.

Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Winkel Θ-1 und Θ-2 so ausgewählt worden, daß sie einander gleich sowie 23,5° sind; dadurch umfassen sie insgesamt einen Winkel von 47°. Wird die Mittelebene CP in einem Winkel Θ-3 geneigt, der gleich der geographischen Breite des Aufstellortes des Kollektors ist, so liegt der normale Einfall des Sonnenlichtes in einem Winkel zwischen den Achsen 16 und 17, und zwar sowohl bei der niedrigsten Mittagshöhe der Sonne über dem südlichen Horizont im

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Winter als auch "bei der höchsten Mittagshöhe der Sonne über dem südlichen Horizont im Sommer. Auf diese Weise wird die gesamte Strahlungsenergie von der Sonne das ganze Jahr über in die Öffnung A gerichtet, ohne daß der Reflektor mitlaufen muß, um der im Verlauf der Jahreszeiten wechselnden Höhe bzw. Elevation der Sonne zu folgen. Da die Achse der Mittelebene parallel zu der Ost-West-Achse verläuft, beeinflußt der tägliche Aufstieg und Abstieg der Sonne den Einfall der Strahlungs energie der Sonne in die Öffnung nicht wesentlich.

Die Strahlungsenergie wird durch eine Kollektorplatte gesammelt, die sich von dem Brennpunkt 15 zu der Bodenwand 12 des Reflektors erstreckt. Wie in den Figuren 3 und 4 schematisch angedeutet ist, fällt die Energie, die in einem Winkel zwischen den Winkeln der Achsen 16 und I7 in die Öffnung eintritt, auf die Kollektorplatte 25_f und zwar entweder direkt oder durch Reflexion an den Seitenwänden 1o und 11 oder der Bodenwand 12. Wie in Figur 3 dargestellt ist, wird die Strahlungsenergie, die in einer zu der Mittelebene CP des Reflektors parallelen Ebene in die Öffnung A eintritt, gegen die gegenüberliegenden Seiten der Kollektorplatte reflektiert» dabei hat sich herausgestellt, daß die höchste Konzentration der reflektierten Energie näherungsweise in der Mitte zwischen der Bodenwand 12 und dem" Brennpunkt 15 auftritt. Figur 4 stellt den Einfall der Strahlungsenergie dar, die in einem zu der Achse einer der Oberflächen parallelen Winkel in die Öffnung eintritt, "bei der vorliegenden Ausführungsform der Oberfläche 11. Wie sich der Darstellung entnehmen läßt, trifft die über der Brennachse eintretende Energie auf die halbparabolische

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Oberfläche 11; da sie parallel zu der Achse einfällt, wird sie zu dem Brennpunkt am oberen Ende der Kollektorplatte reflektiert. Die unter der Achse einfallende Energie trifft entweder direkt auf die Platte oder fällt in einem Winkel auf die Seitenwand 1o, der sie gegen die Platte reflektiert, und zwar entweder direkt oder nach einer Reihe von Reflexionen. Es hat sich herausgestellt, daß bei dieser Ausführungsform die Kollektorplatte die höchste Energie in der Nähe des Brennpunktes auf der oberen Seite der Platte und in der Nähe des Bodens des Reflektors an der unteren Seite der Platte empfängt. Wenn sich der Einfallswinkel dem Winkel der Mittelebene nähert, verschieben sich beide Konzentrationen der durch die Platte an ihren gegenüberliegenden Seiten empfangenen Energie zu der Mittellage, wie in Figur 3 angedeutet ist. Dadurch trifft also die gesamte Energie mit einem Einfallswinkel, der in einem Winkelfeld, der zwischen den Achsen der Oberflächen 1o und 11 enthalten ist, entweder direkt oder durch Reflexion an dem Kollektorelement 25 auf.

Ein wesentlicher Faktor bei der praktischen Nutzung der Sonnenenergie sind die Herstellungs- und Montagekosten für eine Anlage, die zur Sammlung der Energie notwendig ist. Mit der vorliegenden Erfindung wird ein relativ preisgünstiger Kollektor-Reflektor geschaffen, der mit relativ geringen Kosten hergestellt werden kann und eine äußerst leichte Konstruktion hat, so daß die Installationskosten ähnlich niedrig sind. Der Reflektor-Kollektor wird in einer stationären Lage angeordnet und muß nicht bewegt werden, um dem Lauf der Sonne zu folgen, da, wie oben erläutert wurde, Strahlungsenergie mit einem Einfallswinkel, der in dem eingeschlossenen Winkel zwischen

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den Achsen der beiden halbparabolischen Oberflächen liegt, entweder direkt oder durch Reflexion auf das Kollektorelement 25 trifft. Deshalb können die Bauelemente der Kollektor-Reflektor-Anordnung in einer stationären Lage montiert werden und unterliegen nicht der Beanspruchung oder der Deformation, wie sie bei einer Bewegung auftreten wurden.

Ein zweckmäßiger Aufbau des Reflektors 2o ist in Figur 5 im vergrößerten Maßstab als fragmentarische Darstellung gezeigt. Die Reflektorwände 1o, 11 und 12 werden nach einer bevorzugten Ausführungsform aus einer laminierten Struktur gebildet, die aus einem metallisierten Film 31 auf seiner inneren Oberfläche, einer Unterschicht 32, die eine glatte Basis für den Film 31 bildet, und einem starren Tragelement 33 in Form eines gegossenen bzw. geformten Kunststoff-Flächengebildes besteht; bei der vorliegenden Ausführungsform dient kaschierte oder doppelseitige Wellpappe als Unterschicht 32.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform hat der metallisierte Film 31 eine Metall-Unterseite mit einem Träger aus einem synthetischen Kunststoff-Material auf seiner freiliegenden Oberfläche, damit er den Beanspruchungen durch die Einwirkung der direkten Strahlungsenergie sowie den atmosphärischen Verunreinigungen standhalten kann. Zu diesem Zweck stehen zu vernünftigen Kosten der unter dem Warenzeichen "Mylar" vertriebene metallisierte Polyesterfilm und der unter dem Warenzeichen "Tedlar" vertriebene Polyvinylfluorid-Film zur Verfugung. Solche Filme verhindern die Oxydierun^ und die Qualitätsminderung der metallisierten reflektierenden Oberfläche unter der

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Einwirkung von atmosphärischen Verunreinigungen; gleichzeitig ergibt sich ein hoher Reflexionswirkungsgrad, so daß etwaige Verluste an Strahlungsenergie nur gering sind.

Die Wellpappe 32 ist so angeordnet, daß ihre Rillen bzw. Wellen auf dem Umfang des Kollektor-Reflektors verlaufen, um der Struktur die nötige Starrheit bzw. Steifigkeit zu geben. Die Pappe läßt sich leicht so ausbilden, daß sich die gewünschten halbparabolischen Oberflächen der Seitenwände 1o und 11 und die zylindrische Oberfläche der Bodenwand 12 ergibt, wie den Figuren entnommen werden kann. Die Unterseite des metallisierten Films ist mit der glatten Oberfläche der Wellpappe verbunden; dies geschieht nach einer bevorzugten Ausführungsform, nachdem sie auf die Parabelform gebracht worden ist oder während der Bildung der Parabelform, um die Einführung von Oberflächen fehlern bzw. -defekten in dem reflektierenden Film 31 zu vermeiden. Als Klebeschicht sollte ein Heißkleber oder ein Kontaktkleber verwendet werden, um den Film sicher mit der Wellpappe zu verbinden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird die Wellpappe aus einem synthetischen Kunststoff hergestellt, beispielsweise Polypropylen, das leicht in die gewünschte Form gebracht, beispielsweise gegossen oder gespritzt, werden kann; als Beispiel soll das unter der Bezeichnung Hercules "Bramaboard" vertriebene Material genannt werden.

Als Tragschicht 33 wird ein Flächengebilde, also ein Blatt oder ein Bogen, aus Polypropylen oder einem ähnlichen Material verwendet, das äußerst leicht ist, jedoch eine relativ hohe Festigkeit und Steifigkeit hat, wenn es geformt wird; dadurch kann die Unterschicht 32 in der

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gewünschten Form gehaltert werden. Bei einem solchen Aufbau kann die Tragschicht 33 mit der Unterschicht 32 verbunden werden, so daß sich eine starre Tragstruktur ergibt. Die waffelartige oder gekräuselte bzw. mit Vertiefungen versehene Form des Strukturelementes 33 liefert eine Bauform mit maximaler Steifigkeit bei minimalem Gewicht, so daß der Kollektor-Reflektor die notwendige strukturelle Starrheit erhält, um der normalen Handhabung und den Windbelastungen während der Installation und des Betriebs standzuhalten. Fi^ur 6 zeigt die Bauelemente der Wände des Kollektor-Reflektors in einer explodierten Ansicht, wobei die Dicken der einzelnen Elemente modifiziert sind, um die Übersichtlichkeit der Darstellung zu erhöhen.

Aufgrund seines geringen Gewichtes kann der Kollektor-Reflektor nach der vorliegenden Erfindung ohne wesentliche Modifikation auf bereits existierenden Dachaufbauten montiert werden. Eine geeignete Befestigung ist schematisch in Figur 7 dargestellt, wobei eine halbrohrförmige Kollektor-Reflektor-Umhüllung 41 mit einem darin angeordneten Kollektorelement 42 mit äußeren Tragarmen bzw. Ansätzen bzw. Nasen 43 und 44 versehen ist, die mit einem Befestigungsgestell 45 zusammenwirken. Das Befestigungsgestell 45 ist mit Fußbereichen 46 und 47 versehen, die an der freiliegenden Oberfläche eines Dachaufbaus 48 montiert werden können» als Alternative hierzu können sie nach dem üblichen Verfahren mit den Schindeln verschachtelt werden. Wird der Kollektor-Reflektor gleichzeitig mit dem Dachaufbau installiert, so können bei Bedarf auch andere Befestigungsvorrichtungen verwendet werden.

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Figur 8 zeigt eine Kollektoranordnun·^ mit mehreren einzelnen Kollektoren, deren longitudinale Mittelebenen parallel zu der Ost-West-Achse und zueinander angeordnet sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Kollektoren auf einer geneigten Ebene, nämlich einem abgeschrägten Dachaufbau 48, angeordnet! sie befinden sich im Abstand voneinander, um sicherzustellen, daß die obere Wand eines Kollektor-Reflektors 41 keinen Schatten auf die Öffnung des oben benachbarten Kollektor-Reflektors wirft. In Figur 8 ist der Abstand zwischen den einzelnen Einrichtungen übertrieben gezeigt, um die Darstellung übersichtlich zu gestalten; dadurch sind die aufeinanderfolgenden Befestigungsgestelle 45 zu erkennen, die im Abstand über die gesamte Länge der Kollektor-Reflektor-Anordnung angeordnet sind.

Bei der vorliegenden Ausführungsform weisen die Kollektoren 42 durch flache Platten gebildete Energieabsorber mit einer langgestreckten Platte auf, durch die sich Durchgänge für ein fluides Medium erstrecken. Ein Wärmetauschermedium, beispielsweise Wasser oder ein anderes fluides Medium, kann durch die Durchgänge fließen, um die auf das Kollektorelement fokussierte Wärme zu absorbieren. Die Durchgänge der Kollektorelemente 42 sind bei der vorliegenden Ausführungsform parallel zu Übertragungseinrichtungen in Form von Einlaß- und Auslaß-Verteilerköpfen bzw. -Sammlern 51 und 5² geschaltet. Eine Pumpe 53 bewirkt den Umlauf des Wärmetauschermediums durch die Rohrleitungen einschließlich der Einlaß- und Auslaß-Sammler 51 und 52 und der Durchgänge in den Kollektorplatten 42. In diesem Strömungskreis ist ein Wärmetauscher 54 enthalten, um die Wärme zu einem Wärmespeicher 55 zu übertragen, von dem die Wärme für verschiedene Zwecke

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und Anwendungen abgenommen werden kann. Im Winter kann die in der Einheit gespeicherte Wärme zur Erwärmung des Hauses oder für andere Zwecke eingesetzt werden, während die Wärme im Sommer als Energiequelle für eine Klimaanlage eingesetzt wird. Es sind verschiedene Ausführungsformen von Wärmesümpfen bzw. Wärmespeichern vorgeschlagen worden; die Auswahl eines bestimmten Speichersystems hängt von zahlreichen Faktoren ab, die hier nicht näher erläutert werden sollen. Besteht ein sofortiger Bedarf, so kann das Speichersystem umgangen werden, um die Energie von dem Wärmetauscher direkt zu nutzen.

Da die Sonnenenergie durch das System nach der vorliegenden Erfindung fokussiert und konzentriert wird, kann die Temperatur in dem Wärmetauschermedium, das im Umlauf durch die Kollektorplatten 42 geführt wird, wesentlich über die Temperaturen hinaus erhöht werden, die in Sonnenwärmezellen erhalten werden, welche die Energie nicht fokussieren oder konzentrieren. Diese höheren erreichbaren Temperaturen ermöglichen die Auswahl aus einer größeren Zahl von Endverbrauchern, denen die Energie zugeführt werden kann; dadurch wird eine vielfältige, effiziente und wirksame Nutzung der gesammelten Energie möglich.

In den Figuren 9 und 1o ist ein ähnliches System mit Kollektor-Reflektoren mit einem halbrohrförmigen Reflektor 61 dargestellt, der Kollektoren 62 umgibt, die bei dieser Ausführungsform aus Fotoelementen bestehen. Die geometrische Anordnung der halbrohrförmigen Kollektoren 61 ist mit der Geometrie der oben beschriebenen Reflektoren identisch; die Fotoelemente sind so angeordnet, daß sie sich längs der longitudinalen Mittelebene der Umhüllung durch den gemeinsamen Brennpunkt der beiden Parabeloberflächen

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erstrecken. Die Öffnung des Reflektors ist parallel zu der geneigten tragenden Oberfläche 63, so daß die Reflektoren mit ihren Öffnungen Kante-an-Kante anstoßend montiert werden können, ohne daß die Gefahr besteht, daß benachbarte Öffnungen durch die vorspringenden Seitenwände Schatten werfen.

Wie in den Figuren 9 und 1o dargestellt ist, haben die halbrohrförmigen Reflektoren kleinere Abmessungen als die Reflektoren, die in Verbindung mit den vorherigen Ausführungsformen beschrieben wurden. Sie sind auf einer Basis angebracht, die aus einer Wellpappe 63 aus synthetischem Kunststoffmaterial, beispielsweise Polypropylen, besteht. Die reflektierende Oberfläche wird durch einen metallisierten Film 64 aus einem Kunststoffmaterial, ähnlich dem oben beschriebenen, gebildet, das mit einer Unterschicht 65 verbunden ist, die eine glatte Befestigung für den Film darstellt. Nach einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Unterschicht und der Träger aus Polypropylen. Als Alternative hierzu kann der Träger 65 für den metallisierten Film aus einem geschäumten Kunststoff geformt bzw. gegossen werden, der eine solide Unterlage für den metallisierten Film bildet. Die Oberfläche, auf welcher der metallisierte Film haftet, kann durch die Haut des geschäumten Kunststoffmaterials gebildet werden.

Bei dem in Figur 9 gezeigten System sind die Fotoelemente in zwei Flächengebilden, beispielswiese Blättern oder Bogen, 66 montiert» die Elemente in jedem Flächengebilde sind in Reihe geschaltet, während die Flächengebilde selbst parallel geschaltet sind. Die Blätter sind durch elektrische Leitungen 67 verbunden, mit denen die durch die Fotoelemente erzeugte elektrische Energie zu einer geeigneten Energie-

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Umwandlungsvorrichtung 68 übermittelt werden kann. Die Leitungen 67 bringen die Energie zu der Einrichtung 68, welche die durch die Elemente erzeugte elektrische Energie so umformt, daß sie genutzt werden kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform erfolgt die Aufbereitung der elektrischen Energie in der Einrichtung 68 mittels eines Gleichstrom/Wechsel st rom-Umwandlers bzw. Wechselrichters 69 mit zugeordnetem Energiespeicher 7o. Die Energieausgabe von dem Speicher ist bei 7I angedeutet.

Wie bei der vorherigen Ausführungsform wird die in die Öffnung des Reflektors eintretende Energie mittels der Fokussierung der Energie durch den Reflektor in der Brennfläche konzentriert, wo das Fotoelement angebracht ist. Wenn die Fläche des Fotoelementes eine wesentlich geringere Breite als die Öffnungsfläche hat, ist eine wesentliche Einsparung bei den Kosten für die Fotoelemente möglich.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist der halbrohrförmige Reflektor symmetrisch um die Mittelebene, wobei die Öffnung zwischen den freien Rändern der halbparabolischen Oberfläche in einer Ebene gebildet wird, die im wesentlichen senkrecht zu der Mittelebene der Einrichtung ist. Außerdem ist der Kollektor vollständig in der Mittelebene der Einrichtung angeordnet, die sich von der Bodenwand 12 über den Brennpunkt I5 hinaus erstreckt. Das Ausmaß der Projektion über den Brennpunkt hinaus ist begrenzt, um die Größe des Kollektorelementes minimal zu machen, ohne Strahlungsenergie zu verlieren, die etwas von dem Brennpunkt 15 nach außen abgelenkt werden könnte.

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In Figur 11 int eine alternative Ausführungsf.orm der Einrichtung dargestellt. Bei diener Aus füll rungs form hat die obere Seitenwand 81 Parabel form mit einer Parabelachse 8'-, die in Richtung des Uhrzeigersinns von der Mittel ebcnie 83 um einen Winkel Θ-5 gedreht int. Die untere Seite 84 den halbrohri'örmi gen Reflektors hat ebenfalls Parabel form, wobei ihre Achse 8G um einen Winkel Θ-6 ge.gen den Uhrzeigersinn von der Mittelebene 83 gedreht ist» die beiden Drehungen erfolgen um den gemeinsamen Brennpunkt 87 der beiden Parabeln. Bei dieser Ausführungsform sind die Winkel Θ-5 und Q-G ungleich. Die Tiefe der oberen Wand 81 ist größer als die Tiefe der unteren Wand 84, no daß die zwischen den freien Rändern der Wände 81 und 8L' definierte öffnun^iT 88 in einer Eb(¹He lie-t, deren- Neigung zu der Mittelebene nicht senkrecht int. Die parabolischen Oberflächen 81 und 84 enden kurz vor ihren jeweiligen Scheiteln, wie bei n1 und 94 angedeutet ist, und sind durch eine konkav gewölbte Bodenwand 95 verbunden, die sich zwischen den inneren Enden der parabolischen Oberflächen erstreckt. Die Tiefenabmessung den Heflektors wird zwischen der Bodenwand 95 und dem Schnittpunkt bzw. der Überschneidung der Ebene der Öffnung 88 mit der Mittel ebene 83 gemessen, wie bei 89 angedeutet ist.

Bei der vorliegenden Ausführungnform läuft die konkav gewölbte Bodenwand 95 konisch bzw. spitz zu einer Furche 96 auf der Mittel ebene 83 den. Kollektor-Heflektors zu. Der Energiekollektor 97 erntreckt sich von der Furche i?i der Bodenwand 95 über den gemeinsamen Brennpunkt 87 der beiden Parabeloborfläelien hinaus. Die Verlängerung über (1(¹H Bronnpunkt hinau:: ist begrenzt, so daß sich eine te i J weise Kompensation i'ür die diffuse Strahlung ergibt,

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die sonst aus dem Kollektor-Reflektor heraus reflektiert werden könnte. Die Neigung der konischen Teile der Bodenwand 95 ist so ausgelegt, daß eine Reflextion der darauffallenden Strahlungsenergie gegen die Kollektorplatte 97 sichergestellt ist; dadurch wird wiederum der Einfall der Gesamtenergie sichergestellt, welche in einem Winkel zwischen den Winkeln der Achsen 82 und 86 in die Öffnung 88 eintritt, wie oben beschrieben wurde. Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kollektorplatte 97 und die Furche 96 in. der Mittelebene des Reflektor-Kollektors angeordnet; aus funktioneilen Gründen kann es jedoch zweckmäßig sein, die Furche versetzt von der Mittelebene in der konkav gewölbten Bodenwand zu positionieren; die Platte muß nicht notwendigerweise koplanar mit der Mittelebene sein.

Patentansprüche

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

j 1 .J Sonnenstrahlungsenergie-Kollektorsystem, gekennzeichnet durch einen langgestreckten Kollektor-Reflektor mit einer longitudinalen Mittelebene, die parallel zu der Ost-West-Achse verläuft, wobei der Kollektor-Reflektor ein longitudinales Kollektorelement und einen halbrohrförmigen Kollektor mit zwei Seitenwänden und einer Bodenwand enthält, welche das Kollektorelement einschließen und reflektierende Oberflächen aufweisen, um die in den Reflektor zwischen den Seitenwänden eintretende Strahlungsenergie aufzunehmen und so zu reflektieren, daß sie auf das Kollektorelement fällt, und mit einer Übertragungseinrichtung, um die Energie von dem Kollektorelement zu empfangen und zur Nutzung auszuarbeiten, wobei die reflektierenden Oberflächen der beiden Seitenwände parallel zu der Ost-West-Achse verlaufende Wände mit halbparabolischen inneren Oberflächen mit einem gemeinsamen Brennpunkt aufweisen, der mit der Mittelebene zusammenfällt, wobei weiterhin die Achse jeder halbparabolischen Oberfläche von dem Brennpunkt nach außen in einem festen Winkel von der Mittelebene weg verläuft und der Scheitel einer jeden halbparabolischen Oberfläche in der Nähe der Bodenwand liegt, wodurch die halbparabolische Oberfläche die Mittelebene nicht schneidet, wobei weiter-

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hin die festen Winkel der beiden Seitenwandachsen auf gegenüberliegenden Seiten der Mittelebene zwischen sich einen eingeschlossenen Winkel für den Empfang der Strahlungsenergie definieren, wobei weiterhin die Bodenwand konkav gewölbt ist und sich zwischen den Scheiteln erstreckt,und wobei das Kollektorelement von dem gemeinsamen Brennpunkt zu der Bodenwand verläuft.

2. Kollektorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kollektorelement eine langgestreckte Platte mit durch die Platten verlaufenden Durchgängen für ein fluides Medium aufweint, und daß die Übertragungseinrichtung eine Leitungsanordnung und eine Pumpe aufweist, um ein Wärme tauschermedlum im Umlauf durch die Durchgänge zu führen, so daß das Medium durch die Strahlungsenergie erwärmt wird, die auf das Kollektorelement fällt.

3. Kollektorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kollektorelement eine flache Platte aufweist, die sich von der Bodenwand nach außen an dem Brennpunkt vorbei erntreckt, um die diffuse Strahlung zu sammeln.

4. Kollektorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kollektorelement Fotoelemente aufweist, die den reflektierenden Oberflächen zugewandt sind, und daß

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die Übertragungseinrichtung elektrische Verbindungen aufweist, um die durch die Fotoelemente erzeugte elektrische Energie zu sammeln.

5. Kollektorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor im Querschnitt laminiert ist und ein Tragelement, eine auf dem Tragelement befestigte glatte Unterschicht, um die Form der inneren Seiten- und Endwände zu definieren, sowie einen dünnen, reflektierenden Film aufweist, der mit der Unterschicht verbunden ist, wobei der Film ein dünnes, flexibles Kunststoff-Flächengebilde mit einer metallisierten reflektierenden Oberfläche auf der Unterseite enthält und dazu dient, die Strahlungsenergie mit minimaler Verschlechterung des Reflexionswirkungsgrades aufgrund des Einflusses des Sonnenlichtes oder atmosphärischer Verunreinigungen zu reflektieren

6. Kollektorsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterschicht eine doppelseitige Wellpappe aus wetterbeständigem Kunststoffmaterial aufweist.

7. Kollektorsystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Tragelement ein starres Flächengebilde aus einem Kunststoffmaterial verwendet wird, das auf eine strukturelle Form gebracht und mit

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der Wellpappe verbunden ist, um eine starre strukturelle Halterung zu bilden.

8. Kollektorsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Film aus einer Gruppe von Materialien ausgewählt ist, die aus Polyester-Film und Polyvinylflourid-Film besteht, und daß die Pappe und das Tragelement aus Polypropylen-Blattmaterial bestehen, wobei die Pappe und das Tra^element miteinander verbunden und der Film mit der Pappe durch eine Klebschicht verbunden sind.

9. Kollektorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich jede halbparabolische Oberfläche von der Bodenwand eine vorher bestimmte Strecke längs der Mittelebene nach außen erstreckt und in einem Rand endet, der eine der beiden gegenüberliegenden Kanten einer Öffnung für den Eintritt der Strahlungsenergie zwischen den Seitenwänden definiert, wobei der vorher bestimmte Abstand und die Winkelanordnung der Parabelachsen eine Öffnung mit einer Breite bilden, die wenigstens doppelt so groß wie die Breite des Kollektorelementes zwischen dem Brennpunkt und der Bodenwand ist.

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1o. Kollektorsystem nach Anspruch g, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeschlossene Winkel näherungsweise 47°, der vorher bestimmte Abstand näherungsweise 2_f2 mal so groß wie die Breite des Kollektorelementes und die Breite der öffnung näherungsweise 4 mal so groß wie die Breite des Kollektorelementes sind.

11. Kollektoraystem nach einem der Ansprüche 1 bi3 1o, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor-Reflektor in einer Gruppe von ähnlichen Kollektor-Reflektoren angebracht ist, deren longitudinale Achsen parallel zueinander verlaufen und mit seitlichen Abständen angeordnet sind, um eine Abschattung der Öffnung eines Kollektor-Reflektors durch die Seitenwand eines benachbarten Kollektor-Reflektors zu vermeiden.

12. Kollektorsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor-Reflektoren auf einer geneigten Fläche angebracht sind, und daß alle Öffnungen parallel zu der Befestigungsfläche Kante-an-Kante angeordnet sind, so daß die kombinierte Öffnung eine Breite hat, die der Breite der Gruppe in der Fläche entspricht.

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