DE2708499C3

DE2708499C3 - Jahreszeitlich gesteuerter Sonnenkollektor

Info

Publication number: DE2708499C3
Application number: DE2708499A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: SCHMIEDER GEB STEFFENS GERTRUD 8031 GILCHING
Current assignee: SCHMIEDER GEB STEFFENS GERTRUD 8031 GILCHING
Priority date: 1977-02-26
Filing date: 1977-02-26
Publication date: 1980-10-09
Also published as: DE2708499A1; DE2708499B2

Description

Die Erfindung betrifft einen jahreszeitlich gesteuerten Sonnenkollektor bcstehenc· aus einem um seine Mittelebene verschwenkbaren zylindrischen Parabolspiegel, einer lichtdurchlässigen Abdeckung zur Verringerung von Wärmeverlusten und einem mit einem Heizmedium gefüllten Absorberrohr, das in der in der Wesl-Ost-Richtung ausgerichteten Brennebene des Parabolspiegels angeordnet ist.

Es sind Sonnenkollektoren mit flächenartigen Absorbern bekannt, bei denen sich das aufzuheizende Medium direkt unter der gegebenenfalls geschwärzten Absorberflächc befindet. Derartige Kollektoren sind im allgemeinen fest installiert und können nicht nach dem jeweiligen Sonnenstand ausgerichtet werden. Das Heizmedium wird bei diesen Kollektoren im allgemeinen daher nur auf geringe Temperaturen aufgeheizt. In tier DE-OS 14 76 717 wird ein Sonnenkollektor beschrieben, der bereits einen größeren Wirkungsgrad ills ein F lachkollcklor aufweist. Dieser Kollektor besteht aus einem Parabolring mit Außenverspiegclung und einem innerhalb der Brennlinie um den Spiegel herumlaufenden Wärmeträgcrrohr. Dieser ringförmige Sonnenkollektor ist jedoch technisch sehr aufwendig. Auch der Wirkungsgrad dieses Kollektors ist noch nicht ausreichend hoch genug, da ein Teil des kreisförmigen Parabolspiegels immer im Schatten liegt.

Aus der CH-PS 5 64 177 ist ein Sonnenkollektor aus einem Parabol-Zylinderspiegel und einem in der

ι Brennlinie angeordneten Absorberrohr bekannt, wobei der Spiegel in der Ost-West-Richtung ausgerichtet ist. Das Absorberrohr ist von einer lichtdurchlässigen Abdeckung zur Verringerung von Wärmeverlusten abgedeckt. Dieser bekannte Sonnenkollektor hat den

in Nachteil, daß er nicht jahreszeitlich geregelt ist.

In der DE-OS 24 44 090 ist ein Sonnenkraftwerk beschrieben, bei dem die das Heizmedium transportierende Rohrleitung so ausgebildet ist, daß sie die Sonnenstrahlung durchläßt, die von Innen nach Außen

ii gehende Strahlung jedoch möglichst gut reflektieren soll. Der zylindrische Parabolspiegel des bekannten Sonnenkraftwerks kann um die Brennlinie gedreht werden und so von Hand auf die täglichen Sonnenstandsänderungen eingestellt werden. Eine jahreszeitli-

ehe Nachführung des Kollektors gemäß dem jährlichen Lauf der Sonne ist nicht vorgesehen.

Aus der DE-PS 2 31294 ist ein jahreszeitlich geregeltes Parabolspiegel-Kollektorsystem bekannt, bei dem die parabolförmigen Kollektoren in einem

r> Halterahmen angeordnet sind und die Heizröhren sich in der Brennlinie der Parabolspiegel befinden. Bei diesem bekannten Kollektor handelt es sich jedoch um einen sehr kompäziert gebauten, technisch sehr aufwendigen Kollektor, bei dem die einzelnen Heizröh-

Ki ren über entsprechend größer dimensionierte Verbindungsröhren miteinander verbunden sind und wobei die Verbindungsröhren je mit einem Wasserdampfdom ausgerüstet sind. Die Enden der Heizrohren sind durch Röhren vereinigt, die bei der Drehung des Rahmens

π abwechslungsweise als Dampfsammler und Zuleitungsröhren des Speisewassers wirken und eine Zirkulation der Flüssigkeit ermöglichen. Die zu verdampfende Flüssigkeit tritt durch ein Zuleitungsrohr in das Rohrsystem ein und füllt je nach Lage des Rahmens die

Α« Heizröhren und das jeweils unter« Verbindungsrohr. Das obere Verbindungsrohr wird nur etwa zur Hälfte mit der zu verdampfenden Flüssigkeit gefüllt. Bei der Aufheizung der Flüssigkeit im Heizrohr bildet das obere Verbindungsrohr den eigentlichen Dampfkessel, da sich

Γι in ihr die dampfabgebende Wasserfläche befindet. Das bekannte Kolleklorsystem hat den Nachteil, daß es mechanisch sehr aufwendig konstruiert ist. Außerdem ist der Druckschrift nicht zu entnehmen, wie das Kollektorsystem auf einfache Weise auf den jährlichen

,ο Stand der Sonne eingestellt werden soll.

Aufgabe der Erfindung ist es einen Sonnenkollektor zur Verfügung zu stellen, der ohne großen mechanischen Aufwand dem jahreszeitlichen Stand der Sonne folgt und die täglichen Schwankungen der scheinbaren

-,ι Sonnenbahn durch andere Mittel kompensiert,ohne daß dadurch zu große Wärmeverluste bzw. eine verminderte Wärmeaufnahme in Kauf genommen werden müssen. Der Sonnenkollektor soll einen hohen Wirkungsgrad aufweisen, eine hohe Aufheizung des Heizmittels

mi zulassen und wenigstens teilweise auch die diffuse Sonnenstrahlung ausnutzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verhältnis d zu b gleich I bis 5 : 11 beträgt, wobei t/für den Durchmesser des Absorberrohres und b

..; für die effektive Breite des zylindrischen Parabolspiegels steht, die lichtdurchlässige Abdeckung aus mindestens einem das Absorberrohr umgebenden Schutzrohr besteht und die Mittelebene des zylindrischen Parabol-

spiegeis über eine Gelenkstange exzentrisch mit einer drehbaren Kreisscheibe verbunden ist, die pro Jahr eine Umdrehung vollzieht und dabei die Mittelebene des zylindrischen Parabolspiegels in Form einer Sinusfunktion mit einer Periode von einem Jahr, beginnend mit dem Frühlingspunkt und einer Amplitude von 28,5° dem scheinbaren Lauf der Sonne nachführt.

Das Absorberrohr besteht aus Metall, Kunststoff oder Glas. Die Außenfläche des Absorberrohres ist vorzugsweise mit eine üchtabsorbierenden Schicht ausgerüstet, die die Wärmerückstrahlung weitgehend unterdrückt. Diese Schicht ist für Temperaturen bis 300⁰C beständig. Besonders geeignet ist z. B. eine Schwarznickelbeschichtung.

Das Verhältnis des Außendurchmessers (d) des Absorberrohres zur effektiven Breite (b) des Parabolspiegels ist 1 bis 5:11. Bei dieser Bedingung wird erreicht, daß der Brennpunkt der Sonne immer auf dem Absorberrohr liegt, sofern die Mittellinie des Parabolspiegels zur Sonne ausgerichtet ist. Besonders bevorzugt sind Verhältnisse von d zu b gleich 1 bis 3 : II, insbesondere 1 bis 2 :11. Als praktische Größe hat sich z. B. ein Sonnenkollektor mit einem Absorbe.Jurchmesser von 6 cm und einer effektiven Spiegelbreite von 65 cm ergeben. Das Absorberrohr könnte jedoch bei einer effektiven Spiegelbreite von 65 cm aber auch einen größeren Durchmesser als 6 cm aufweisen. Ein Absorberrohrdurchmesser von mehr als 30 cm bei einer effektiven Spiegelbreite von 65 cm wäre jedoch unwirtschaftlich.

Das Absorberrohr ist von mindestens einem lichtdurchlässigen Schutzrohr ummantelt. Der lichte Abstand des Schutzrohres von der Oberfläche des Absorberrohres beträgt ca. 5—25 mm, insbesondere 10—15 mm. Das Schutzrohr besteht z. B. aus thermoplastischem Kunststoff. Besonders geeignet sind z. B. Polyester, Polycarbonate bzw. Polytherephthalate. Das Schutzrohr bzw. die Schutzrohre sind jedoch nicht auf die oben angegebenen Kunststoffmaterialien beschränkt. Die Innenfläche des Schutzrohres kann mit einer Infrarotstrahlen reflektierenden Schicht belegt sein. Geeignet dafür ist z. B. eine Indiumbeschichtung.

Der Raum zwischen dem Schutzrohr und dem Absorberrohr ist zweckmäßigerweise luftdicht abgeschlossen. Der Raum kann auch evakuiert sein. Es hat sich auch als zweckmäßig erwiesen diesen Raum mit einem Schutzgas z. B. Kohlendioxyd zu füllen. Durch den das Absorberrohr umgebenden Raum wird z. B. erreicht, daß die Wärmeleitung und die Wärmekonvektion vernachlässigbar klein sind und die Schwarznickelschicht auf der Oberflüche des Absorberrohres vor Nässe und Verunreinigungen geschützt wird.

Das Abiiorberrohr ist mit einem an sich bekannten Heizmittel z. B. Öl oder Luft gefüllt. Es werden bevorzugt Heizmittel eingesetzt, die bei Temperaturen bis mindestens 300⁰C beständig sind. Besonders geeignet ist Silikonöl, das zur Erhöhung der Wärmeaufnahmefähigkeit schwarz eingefärbt sein kann.

Das mit einem Heizmittel gefüllte Absorberrohr kann über einen Wärmetauscher mit einem Wärmespeicher verbunden sein, an den das aufgeheizte Heizmittel die Wärme abgibt. Danach fließt das Heizmittel vom Wärmeaustauscher wieder zum Absorberrohr zurück. Der Transport des Heizmittels kann durch eine Pumpe oder durch den Thermosyphoneffekt bewirkt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, das Heizmittel im Absorberrohr zu verdampfen und im Wärmeaustauscher wieder zu kondensieren.

Der zylindrische Parabolspiegel ist mit einer Regeleinrichtung zum Verschwenken der Miuetebene des Spiegels verbunden. Über diese Regeleinrichtung wird die Mittelebene so eingestellt, daß sie z. B. am 20. März

". auf die Sonne gerichtet ist. Von da an wird die Ebene mittels der Regeleinrichtung bis zum 21. Juni um insgesamt 28,5° angehoben, danach bis zum 23. September wieder in die Ausgangsstellung zurückgeschwenkt, dann bis zum 22. Dezember um insgesamt 28,5° aus der

in Ausgangsstellung nach unten gesenkt und danach bis zum 20. März wieder in die Ausgangsstellung zurück bewegt. Diese Auf- und Abbewegung des Parabolspiegels erfolgt nicht in einer zeitlichen Gleichmäßigkeit sondern nach einer zeitlichen Sinusfunktion mit der

\; Periode von einem Jahr und der Amplitude von 28,5°. Das Anheben bzw. Absenken der Mittelebene des Parabolspiegels, d. h. das Verdrehen des Parabolspiegels zur Sonne kann z. B. über eine Kreisscheibe vorgenommen werden, die über eine Gelenkstange exzentrisch mit dem Parabolspiegel verbunden ist Die Drehung der Kreisscheibe kann automatisch üb-:' einen Synchronmotor oder von Hand geregelt werfen, wobei die Kreisscheibe im Laufe eines Jahres eine volle Drehung vollführt

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die Fi g. 1 zeigt einen Schnitt durch den Parabolspiegel und das Absorberrohr nebst Schutzrohr.

in Die F i g. 2 zeigt die Seitenansicht deu Parabolspiegels mit der Regeleinrichtung.

Die F i g. 3 zeigt den Sonnenkollektor in der Aufsicht Die Fig. 1 zeigt den von dem Rahmen 7 gehaltenen

Parabolspiegel 1 im Schnitt Die Innenfläche des

υ Spiegels ist mit einer spiegelnden Aluminiumschicht 2 ausgerüstet In der Brennlinie des zylindrischen Parabolspiegels befindet sich das Absorberrohr 3. das mit dem Heizmittel 6 gefüllt ist. Das Absorberrohr ist von einem Schutzrohr 5 umgeben. Der Zwischenraum 4

in zwischen dem Absorberrohr und dem Schutzrohr ist evakuiert.

Die F i g. 2 zeigt die Vorrichtung in der Seitenansicht. Die Stellung der Mittelebene des Sonnenkollektors zur Sonne entspricht etwa der Einstellung des Sonnenkol-

ij lektors am 20. März. Die Mittelebene 12 des Spiegels ist gegen die Senkrechte um den Winkel β (J? = geographische Breite) geneigt. Der Parabolspiegel 1, der von dem Rahmen 7 gehalten wird, wird über die Gelenkstange 8, die exzentrisch an der Kreisscheibe 9 angelenkt ist, aus

->n seiner Lage verdreht. Die Kreisscheibe 9 wird über einen Synchronmotor oder ein Uhrwerk gleichmäßig mit der Geschwindigkeit eine Umdrehung pro Jahr angetrieben.

Dip F i g. 3 zeigt den Sonnenkollektor in der Aufsicht.

Vi Das aufzuheizende Medium 6 wird durch die Pumpe 10 in den nicht wied^rgegebenen Wärmetauscher gefördert und tritt nach Abgabe seiner Wärmeenergie wieder bei der Einlaßöffnung 11 in das mit dem Schutzrohr 5 ummantelte Absorberrohr 3 ein.

•.ο Mit einem erfindungsgemäßen Sonnenkollektor, der mit einem Parabolspiegel einer effektiven Brdte von 65 cm und einem Absorberrohr von 6 cm ausgerüstet war, wurden Leerlauftemperaturen, d. h. bei Füllung des Absorberrohres mit Luft, bis 260°C und Leistungen bis

■ ■. 3 kW/h pro Tag und pro qm erreicht. Der Kollektor zeichnet sich durch seitie einfache Konstruktion. Handhabung, Regelung und durch seinen hohen Wirkungsgrad aus.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Jahreszeitlich gesteuerter Sonnenkollektor, bestehend aus einem um seine Mittelebene verschwenkbaren zylindrischen Parabolspiegel, einer lichtdurchlässigen Abdeckung zui Verringerung von Wärmeverlusten und einem mit einem Heizmedium gefüllten Absorberrohr, das in der in der West-Ost-Richtung ausgerichteten Brennebene des Parabolspiegels angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis d zu b gleich 1 bis 5:11 beträgt, wobei d für den Durchmesser des Absorberrohres und b für die effektive Breite des zylindrischen Parabolspiegels steht, die lichtdurchlässige Abdeckung aus mindestens einem das Absorberrohr umgebenden Schutzrohr besteht und die Mittelebene des zylindrischen Parabolspiegels über eine Gelenkstange exzentrisch mit einer drehbaren Kxeisscheibe verbunden ist, die pro Jahr eine Umdrehung vollzieht und dabei die Mittelcbene des zylindrischen Parabolspiegels in Form einer Sinusfunktion mit einer Periode von einem Jahr, beginnend mit dem Frühlingspunkt und einer Amplitude von 28,5° dem scheinbaren Lauf der Sonne nachführt.

2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von c/zu b gleich 1 bis 3 :11, insbesondere 1 bis 2 :11 beträgt

3. Sonnenkollektor nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Absorberrohres mit einer Schwarznickelschicht ausgerüstet >sl

4. Sonnenkollektor nach den Ansprüchen I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daii die Innenfläche des Schutzrohres mit einer die Infrarotstrahlung reflektierenden Schicht versehen ist.

5. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4., dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen dem Absorberrohr und dem Schutzrohr luftdicht abgeschlossen ist und mit Kohlendioxid gefüllt bzw. evakuiert ist.