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Hochbau-System in Stützen/Schalen-Bauweise nach einem neuarti-
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gen Baukastenprinzip mit voll integrierter Anlage zur Solarenergieverwertung
zwecks Erzielung einer vollkommenen ieizungs-, Beleuchtun&s- und Kraftstrom-Autarkie
bei minimaler Erhöhung der Gesamtbaukosten und maximaler iteduzierung des Amortisationszeitraumes
durch Einsatz neuester Technologien.
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Erster Zusatz zur Hauptanmeldung vom 21.2.77 "Hi/Di - Eu/Li 03" Aktenzeichen
P 27 11 261.4 In der Hauptanmeldung wurde der Bereich "Energiespeicherung" nur verhältnismäßig
kurz abgehandelt, weil in allen Regelfällen sehr wahrscheinlich eine Kurzzeitspeicherung
ausreichen wird. Es ist jedoch durchaus zu erwarten, daß bisweilen Spezialfälle
gelöst werden müssen, bei denen eine Langzeitspeicherung überschüssiger Sommer-Energie
unvermeidlich ist. Solche Situationen dürften vor allem in der Zone zwischen dem
45. und 55. Breitengrad vorkommen. Ferner besteht die Möglichkeit, daß dann und
wann die umsetzbare Gesamtenereie - auf ein volles Jahr bezogen - nicht ganz genügt,
um die grundsätzlich anzustrebende Autarkie auch bei Produktionsstätten mit überdurchschnittlich
hohem Bedarf zu gewährleisten.
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Solche Sonderfälle werden erfindungsgemäß auf ganz besonders ökonomische
Weise dadurch bewältiet, daß man das Prinzip des Pumpspeicherwerkes - siehe Seite
10, Absatz c) der Hauptanmeldung - mit einer ergänzenden Maßnahme als zusätzliche
Energiegewinnungsanlage ausgestaltet. Dies hat zur Folge, daß die Energiespeicherung
nicht, wie bei allen bekannt gewordenen Vorschlägen unvermeidbar, die Passivseite
der Kostenbilanz belastet, sondern die Aktivseite deutlich verbessert.
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Selbstverständlich müssen die Geländeverhältnisse, die geologische
Beschaffenheit und der natürliche Wasserhaushalt des für
die Schaffung
eines künstlichen Speichersees infrage kommenden Gebietes eine wirtschaftliche bauausführung
erlauben. Wenn die mit Solarenergie zu versorgende Inustrieanlae in einer Ebene
erstellt werden müßte, wird man auf die Bevorratung potentieller Speicher-Energie
verzichten und den künstlichen See ausschließlich als zusätzlichen Energieproduzenten
verwenden.
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Erfindungsgemäß kann die Oberfläche eines Sees als ideale Basis für
die Aufnahme einer entsprechenden Anzahl industriell vorgefertigter liefleRtor-Einheiten
betrachtet werden, die den Zweck haben, die auftreffende Solarstrahlung leicht zu
bündeln und auf einen mastgestützten Groß-Absorber umzulenken. Dieser heizt ein
geeignetes Wärmeträgermedium so stark auf, daß es entweder direkt oder auch indirekt
- über einen voluminösen Wärmetauscher -eine hohe Eingangstemperatur der thermischen
Arbeitsmaschine bzw. Kraftmaschine und damit einen günstigen Wirkungsgrad bei der
Drehstromerzeugung ermöglicht.
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5 Aus dem biher Gesagten ergibt sich klar, daß die steflektoreinheiten
auf der Wasseroberfläche schwimmen und einen definierbaren Horizont aufweisen müssen.
Die Grundrißfläche eines solchen "Spiegel-Elementes" oder - noch besser ausgedrückt
-einer solchen "Spiegelboje" liegt vorzugsweise in einer Grössenordnung von 5 m2,
die Grundrißform entspricht zweckmäßigerweise einem regelmäßigen Sechseck. Die Wahl
eines kreisrunden Grundrisses hätte beispielsweise zu dem Nachteil geführt, daß
die zur Verfügung stehende Wasseroberfläche weder ganz abgedeckt noch hochprozentig
ausgenützt worden wäre.
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Der unterhalb des Wasserspiegels befindliche Teil der Spiegelboje
kann prismatisch oder pyramidenstumpfförmig sein, auch an eine Kombination beider
Körperformen ist durchaus zu denken.
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Die Zahl der verwendbaren Werkstoffe ist relativ groß, eine endgültige
Festleeung kann nur nach Durchführung praktischer Versuche erfolgen. Dabei müssen
selbstverständlich die Prinzipien der Kostenoptimierung und der Lebensdauerverläneerung
konsequent angewandt werden. Man darf wohl schon jetzt annehmen, daß der untere
Teil der Spiegelboje aus einer wasser- und verschleißfesten Hartschale mit Dämmstoff-Füllung
bestehen wird.
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Auch der obere Teil bedarf einer dauerhaften liartschale deren Werkstoff
geeignet sein muß, das Dreh- und kipplager der Spiegelplatte sowie die Nachführmechanik
kraftschlüssig aufzunehmen. Ein Pyramidenstumpf von ungefähr 20 - 25 Grad Neigung
dürfte voraussichtlich als besonders vorteilhafte Form infrage kommen. Die Verbindung
beider Spiegelbojenteile muß einerseits absolut wasserdicht, andererseits aber auch
leicht lösbar sein, damit man etwa notwendig werdende lteparatur- oder Austauscharbeiten
schnell und bequem ausführen kann.
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Die Spieelplatte weist annähernd dieselbe Größe wie der Bojenrundriß
auf, die Formen beider Elemente sollten möglichst gleich sein. Erfindungsmremäß
wird vorgeschlagen, die Spieeelplatte elastisch in einer leichten, jedoch ausreichend
starren Rahmenkonstruktion einzuspannen und mit Hilfe einer Justierschraube formveränderlich
zu machen. Aufgrund der extrem grossen Brennweite - der Absorbermast kann im Regelfall
mehr als hundert Meter entfernt sein - erfordert die Fokussierung nur eine sehr
kleine Spiegelkrümmung. Der Justiermechanismus braucht nicht unbedingt eine Paraboloidform
zu erzeugen, auch eine sphärische oder gemischte Form erfüllt durchaus den gewünschten
Zweck.
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Der günstigste Werkstoff und das preiswerteste Herstellungsverfahren
für die Spiegelplatte sollte erst nach Abschluß aussagekräftiger Testreihen endgültig
festgelegt werden. Theoretisch gibt es mindestens fünf Lösungswege.
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Als Spiegelplattenhalterung kommt zunächst eine drehbare Leichtmetall-
oder Kunststoffgabel mit horizontalem Kipplagerbolzen in Betracht. Die vertikale
Drehachse der Gabel führt ins Innere der Spiegelboje und trägt dort ein Schneckenrad.
Die zugehörige Antriebsschnecke wird von einem kleinen Gleichstrom-Getriebemotor,
der seinen Schwachstrom vorzugsweise aus einer Solarzellenbatterie empfängt, betätigt.
Die erforderliche Wattzahl ist bei einer solchen Nachführungsmethode sehr niedrig;
daraus resultieren nur geringfügige Kosten pro Quadratmeter Spiegelfläche. Es versteht
sich von selbst, daß die möglichst gewichtsarm zu konstruierende Spiegelplatte in
ihrem Schwerpunkt gelacert werden muß. er lXippvorgang wird mittels Zahnstange oder
Gewindestange
bewerkstelligt, der bereits erwähnte Gleichstrom-Getriebemotor kann über eine geeignete
Magnetkupplung auch diese Aufgabe erfüllen.
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Für die Steuerung der Nachlaufbewegung sind verschiedene Prinzipien
verwendbar; es muß dafür gesorgt werden, daß die optische Achse des Konkavspiegels
ständig die Position einer Winkelhalbierenden zwischen der sonnenstandsabhängigen
Strahleneinfallsrichtung und der Absorbermitte einnimmt. Die Methode der "Vierquadranten-Fotozellensteuerung"
ist für ein zweiachsiges System grundsätzlich denkbar; ein infrarotempfindlicher
Sensor kann das Absorberzentrum anpeilen und auf diese Weise die Soll-ichtune der
Fokussierungsachse festlegen.
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Erfindungsgemäß wird ferner vorffleschlagen, alle seitlichen Berührungsflächen
der Spiegelbojen mit je einem axial verschieblichen Konusbolzen und einem Konusloch
zu versehen, damit sich eine gegenseitige Stabilisierung der jeweils benachbarten
Bojen ergibt. Diese Maßnahme verhindert nicht nur das Auftreten unangenehmer Vibrationen
infolge Wind und Wellengang, sondern auch das einseitige Kippen der einzelnen Bojen
im Augenblick des Begehens. Sollte sich, was nicht allzu häufig vorkommen dürfte,
der Austausch einer defekt gewordenen Spiegelboje als notwendig erweisen, müssen
die zwölf zuständigen Konusbolzen aus ihrer Verriegelungsposition zurückgeholt werden.
Die nunmehr freigewordene Boje läßt sich ohne nennenswerte Schwierigkeiten nach
oben ziehen und über einen provisorischen Laufsteg entfernen, Das Einsetzen der
Ersatzboje erfolgt dann in um.«ekehrter Reihenfolge. Falls es sich um einen künstlich
angelegten Speichersee handelt, bei dem der Absorbermast zentral angeordnet sein
kann, wäre als Alternativlösung denkbar, ein radiales Tragseil, dessen uferseitiges
Ende den ganzen Seeumfang zu umfahren in der Lage ist, als Transportbasis zu verwenden.
In diesem Falle würde ein leichter Elektrozug mit positionierbarer Laufkatze den
Bojenaustausch auf eine Bagatellmaßnahme reduzieren.
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Da die Spiegelbojen infolge ihrer Sechseckform eine zusammenhängende,
geschlossene Abdeckung bilden - von den etwaigen Eckabrundungen zur Erleichterung
des Regenwasserdurchflusses abgesehen - und außerdem einen beachtlichen Wärmedurchlaßwiderstand
besitzen,
sind sie durchaus imstande, die Wasseroberfläche eisfrei zu halten. Es kann sogar
damit gerechnet werden, daß die mittlere Wassertemperatur im Winterhalbjahr deutlich
über der Mitteltemperatur vergleichbarer Seen mit ungeschützter Oberfläche liegen
wird. Während des Sommerhalbjahres hingegen dürften umgekehrte Verhältnisse herrschen.
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Dieser Umstand könnte vor allem dann erhebliche Bedeutung erlangen,
wenn das erfindungsgemäße Spiegelbojenprinzip auf großflächigen Naturseen in Form
Quadratkilometer umfassender Inseln angewandt würde, die als Großkraftwerke zu betrachten
wären.
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Auf diese Weise müßte es gelingen, auch Klimaveränderungen hervorzurufen,
die einen positiven Einfluß auf die Vegetation des betreffenden Gebietes haben könnten.
Die Verankerung einer solchen Spiegelbojeninsel zum Schutze gegen ungewollte Abdrift
wäre mit vergleichsweise bescheidenem Kostenaufwand möglich, Theoretisch ließe sich
mit Hilfe einer Spiegelbojenmatte im Schlepp eines Schiffes auch Antriebsenergie
gewinnen. Die Grenze für den gerade noch vertretbaren Wellengang müßte allerdings
im praktischen Versuch ermittelt werden.
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In der Hauptanmeldung vom 21.2.77 waren die Kollektorköpfe direkt
auf den einzelnen Spiegelschalen angeordnet und wurden gleichzeitig mit diesen nachgeführt.
Infolgedessen ergab sich die Notwendigkeit, die Vor- und ücklaufleitung des Wärmeträ
germediums unterhalb der Spiegelschale elastisch oder gelenkig auszubilden.
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Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Prinzips ist dann
möglich, wenn man die Kollektorköpfe im Zentrum einiger quadratischer Einhängeplatten
fixiert und jedem Kopf mehrere Spiegelschalen zuordnet. In der Regel werden vier
Spiegelschalen einen gemeinsamen Kollektorkopf mit Solar-Energie zu versorgen haben.
Dieses "Kleeblattsystem" erfordert zwar eine andersartige Formgebung für den konkaven
Spiegelschaienbereich -allein die erhebliche Vergrößerung der Brennweite zwingt
zu beachtlichen Änderungen - , hat aber den Vorteil der reduzierten Kollektoranzahl
und des räumlich unveränderlichen Kollektorstandortes. Aufgrund der höheren Energiekonzentration
kann ferner das Niveau der Vorlauftemperatur des Wärmeträgermediums
noch
weiter angehoben und damit der Wirkungsgrad des Umsetzungsprozesses gesteigert werden.
Die elastischen bzw. gelenkigen flohrleitungsbereiche entfallen gänzlich, der Kostenaufwand
für die Leitungen selbst und die notwendigen Wärmedämm-Plaßnahmen wird deutlich
gesenkt.
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Im Extremfalle könnte man anstelle der Einzelkollektoren des Kleeblattsystems
einen einzigen Zentralkollektor oder -absorber verwenden, der von einem seitlich
des betreffenden Bauwerks errichteten Hast getragen wird. Bei dieser Alternative
würden sich ähnliche Verhältnisse wie beim eingangs beschriebenen Spiegelbojenprinzip
ergeben.
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Diese Überlezungen sollen beweisen, welche Bedeutung einer gewissenhaften
System-Optimierung zukommt. Dabei wird die allmählich zunehmende praktische Erfahrung
das größte Gewicht erlangen. Man darf nämlich nicht übersehen, daß das erfindungsgemäße
Baukastenprinzip infolge seines hohen Integrationsgra des zwangsläufig technisches
Neuland erschließen muß, In der Hauptanmeldung vom 21.2.77 wurde dargelegt, daß
die zur Abdeckung der Offnunesquadrate dienenden Einhängeplatten ihrem Wesen nach
als Flachkollektoren zu betrachten sind. Die in Figur 3 dargestellten Trichterkonzentratoren
sollten eine wirtschaftliche Lösung für eine spätere photovoltaische Energieumsetzung
zeigen. Da aber zunächst nur eine solarthermische Umsetzung infrage kommen kann,
wenn man auf hohe Wirtschaftlichkeit Wert legt, wurde in erster Linie an eine Ausnützung
der Globalstrahlung für die Gewinnung von Heißwasser gedacht, welches der Gebäudeheizung
dienen sollte.
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Eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einhängeplatten ergibt
sich dann, wenn man ein System drehbarer Vakuumrohre mit teilweiser Parabolverspiegelung
und innerer Absorberleitungsführung anwendet. Auf diese Weise ist es möglich, anstelle
von Heißwasser auch Wasserdampf zu erzeugen und damit erforderlichenfalls zusätzlichen
Strom zu erzeugen.
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Als Querschnitt des Vakuumrohres eignet sich in diesem Falle ein "Dreigelenkrahmen"
auf der Basis eines gleichseitigen Bogendreiecks. Der von außen nach innen wirkende
Luftdruck
wird also durch Gewölbeschalen aufgenommen, die so zu
dimensionieren sind, daß das statische hräfteeleichgewicht mit geringstmöglichem
Werkstoff-Aufwand erreicht werden kann.
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Diese Forderung führt zur Form linearer Parabolschalen und somit gleichzeitig
zu der Möelichlieit einer kostengünstigen Parabolverspiegelung der sonnenzugewandten
Drittelsfläche des ltohr-Innenmantels. Die gegenseitige Abdichtung der Gelenkfälze
ist technisch kein Problem, weil der äußere Luftdruck die Dichtungsbereiche ständig
und gleichmäßig belastet. Auch Ausbiltlung der beiden Stirnschalen läßt sich auf
einfache Weise bewerkstelligen.
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Die Absorberröhre muß ungefähr im Viertelspunkt des die optische Achse
darstellenden Außenrohrdurchmessers angeordnet werden, weil dort die Fokussierung
des parallel einfallenden Direktstrahlenbündels stattfindet, wenn die optische Achse
mit der Strahlenachse übereinstimmt. Die Größe des erzielbaren Konzentrationsfaktors
hängt vor allem vom Durchmesser des Vakuumrohres ab, weil die Absorberröhre schließlich
nicht beliebig eng ausgeführt werden kann. Nimmt man beispielsweise an, daß der
Rohrdurchmesser 150 mm beträgt und der Linearabsorber eine wirksame Streifenbreite
von 15 mm aufweist, dann erhält man einen Konzentrationsfaktor von ca. 8, der bei
einem sinnvoll durchgebildeten Vakuumkonzentrator bereits zur Gewinnung von Wasserdampf
ausreicht.
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Da die Drehachse im Zentrum der Vakuumrohre liegen sollte, ist es
erforderlich, durch Kröpfung der Absorberröhre oder durch Schaffung von Übergangsbehältern
mit asymmetrischen Anschlußstutzen eine koaxiale Lagerpassage für das Wärmeträgermedium
zu ermölichen. Streng genommen gibt es allerdings auch Lösung wege für exzentrische
Lagerpassagen. Die Optimierung kann nach rein praktischen Gesichtspunkten durchgeführt
werden.
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rür die Verspieelung der Drittelsschale dürfte sich vor allem das
Prinzip der Netallbedampfung im Hochvakuumbehälter eignen.
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Auch das Aufkleben dünner Reflektorfolien wäre denkbar.
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Aus fertigungstechnischen und anwendungspraktischen Gründen k wird
man für alle drei Teilschalen den gleichen Werstoff und
die gleichen
Abmessungen wählen. Normalerweise dürfte Silikatglas in Spieeelelasqualität mit
einer Dicke von 5 mm infrage kommen; für höhere Ansprüche hinsichtlich Bearbeitbarkeit
und Unempfindlichkeit mag Acrylglas in Betracht gezogen werden.
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Auf der Innenseite der beiden unverspiegelten Drittelsschalen kann
eine Filterschicht aufgedampft sein, die als Schutz gegen unerwünschte Wärmeabstrahlung
dient.
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Die Absorberröhre wird im Regelfalle aus Glas bestehen und im Inneren
ein geschwärztes Sternprofil aus Leichtmetall aufweisen. Alternativ könnte eine
schwarze Granulatfüllung geeieneter Korngröße und -form verwendet werden.
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Eine exakte Nachführung der parallel zueinander gelagerten und auf
eine kleine Distanz gebrachten Vakuumrohre läßt sich beispielsweise mit Hilfe eines
Zahnstangentriebes und eines doppelt wirkenden Hydraulikzylinders der untersten
Klasse realisieren; die elektronische Steuerung ist aufgrund der einachsigen Drehbewegung
mit einfachsten Mitteln lösbar.
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Aus dem bisher beschriebenen Konzentratorprinzip kann erfindungsgemäß
eine Variante abgeleitet werden, die von größter Bedeutung für die Solar-Energie-Nutzung
im Bereich der Landwirtschaft und des Gartenbaus sein dürfte: Durch Vergrößerung
der Seitenlängen des bogendreieckförmigen Querschnittes auf ein Maß von ca. 1,00
- 1,50 m erhält man ein Rohrprofil, das eine Begehung in gebücktem Zustand ermöglicht.
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Verwendet man als Werkstoff für die drei Parabolschalen anstelle von
Glas Leichtmetall, Stahl oder Holz und löst man die Schalen in leichte Dreiecksnetzwerke
auf, dann entsteht ein Tragsystem von hohem Trägheitsmoment bei niedrigem Metergewicht.
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Bei späterem Verzicht auf eine Teil-Evakuierung kann es zweckmäßig
sein, die Bogenschalen mit einer Abspannung in Sehnenrichtung zu versehen und auf
diese Weise die Steifigkeit zu erhöhen, Das Netzwerk ist so auszubilden, daß die
Schattenwirkung auf dem Reflektor möglichst gering bleibt. Es würde zu weit führen,
die große Zahl der denkbaren konstruktiven Details auch nur in ihren Grundzügen
zu erläutern. Natürlich spielt dabei auch die Werkstoffwahl eine maßgebende Rolle.
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Belegt man die untere Parabolschale auf der Innenseite mit flexiblen
Spiegelplatten hohen Reflexionsgrades und umhüllt man die beiden oberen Schalen
von außen mit einer durchsichtigen Kunststoff-Folie ausreichender Steifigkeit, erhält
man ein witterungsgeschütztes Rohr einfachster Bauart, welches als Teil einer Überdachung
verwendet werden kann. Aufgrund des niedrigen Eigengewichtes bleibt die Verformung
auch bei Stützweiten in der Grössenordnung des 20 bis 30-fachen Rohrdurchmessers
so gering, daß die optische Qualität kaum beeinträchtigt wird.
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Das Absorbersystem besteht auch hier aus einer schlanken Glasröhre
mit Sternprofil- oder Granulatkern, die vorzugsweise von Wasser durchflossen wird.
Der Konzentrationsfaktor kann durchaus im Bereich zwischen 20 und 30 liegen. Es
besteht somit auch die Möglichkeit einer Dampf-Erzeugung, obwohl kein Vakuumrohrprinzip
vorhanden ist. Aus fertigungs- und transporttechnischen Gründen wird man Schalen-Einheiten
von ungefähr drei bis vier Meter Länge wählen, die erst an Ort und Stelle mittels
Verschraubung oder Keilbolzenverbindung auf das gewünschte Endmaß gebracht werden.
Die Absorberröhren werden zweckmäßigerweise in gleicher Länge produziert wie die
Schalen-Einheiten. Die erforderlichen Zwischenunterstützungen liegen dann an gleicher
Stelle wie die Schalenstöße. Je zwei Stirnplatten oder -netzwerke tragen in ihrem
Zentrum die Lagerbolzen, deren Gehäuse auf Stahl- oder Holzträgern befestigt wird.
Die Tragstützen können ebenfalls aus Stahl oder Holz bestehen, die Stützenfüße ruhen
vorzugsweise in Stahlbeton-Köcherfundamenten mit quadratischem Grundriß, Für die
einachsige Nachführung gelten dieselben Vorschläge wie beim Vakuumrohrsystem kleiner
Dimension; die erforderliche Antriebsleistung ist auch beim großkalibrigen Rohr
relativ gering, wenn die Drehachse mit der Schwerlinie zusammenfällt und auf eine
Reduzierung der Reibung durch Einbau reichlich bemessener Wälzlager geachtet wird.
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Bei treibhausähnlichen Großhalien ist eine Dach-Abdichtung gegen Niederschlagswasser
normalerweise nicht notwendig, man kann sich also auf Schutzmaßnahmen gegen Hagelschlag
und Wolkenbrüche beschränken. Daraus ergibt sich die besondere Eignung
es
erfindungsgemäßen Trarohrprinzips für die "Solarisierung der Obst- und Gemüseerzeugung,
möglicherweise sogar des Weinbaus in höheren Breiten. Der beachtliche EnerEieFewinn
-bezogen auf das Hektar überbauter Fläche - kann nur zum Teil für die Klimatisierung
der Großhalle und für den Antrieb der Saat-, Ernte- und Verpackungsmaschinen verwendet
werden. Der verbleibende Überschuß kann bereits in gemäßigten breiten zur Beheizung
und Stromversorgung benachbarter Wohnhäuser und Werkstattbetriebe dienen. In subtropischen
und tropischen Zonen wird man, falls erforderlich, mit dem Energie-Uberschuß Meerwasser
entsalzen oder Pumpstationen in Betrieb setzen. Auch an die Aufladung aktiver Druckluft-Linearspeicher
für passive Verkehrs-oder Transportmittel wäre zu denken. Auf diese Weise ließe
sich erfindungsgemäß ein sowohl zweckmäßiges als auch überaus ökonomisches Verbundsystem
realisieren0 Auf Seite 10 der Hauptanmeldung vom 21.2.77 wird unter a) der Wasserspeicher
erwähnt. Dieser ist in der Lage, bei Temperaturunterschieden von jeweils 10°C einen
Wärmeinhalt von ungefähr 10 000 kcal/m³ aufzunehmen und im Falle eines Energiedefizits
zur Verfügung zu stellen. In der Praxis wird ein maximaler Wärme-Inhalt von ca.
70 000 kcal/m3 bevorratet werden können, wenn es sich um Kurzzeitspeicherung handelt.
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Füllt man hingegen das Wasser in kleine Kugeln mit hochwärme-und -zugfester
Wandung ab und versieht man die einzelnen Kugeln bzw. kleine Kugelpakete geeigneter
Dimension mit einer zweiten Schale, hinter der ein Vakuum erzeugt werden kann, dann
erhält man einen Mittels bis Langzeitspeicher weit größerer Energiedichte, weil
jetzt das physikalische Pinzip eines Hybridspeichers Wasser/Wasserdampf wirksam
wird. Erhitzt man eine bestimmte Wassermenge innerhalb eines abgeschlossenen Gefäßes
auf die Temperatur tk = 374,1°C, entsteht ein Innendruck von 225,4 at bei einem
spezifischen Gewicht des Wassers bzw. Sattdampfes -für beide Zustände gilt in diesem
Falle derselbe Wert - von 0,318 g/cm3 und einer Enthalpie von 502 kcal/kg. Die innere
Energie ergibt sich zu u' = u" = 488 kcal/kg. Aufgrund der Volumenzunahme um das
3,1 - fache wäre dieser Situation ein Füllungsgrad von ungefähr einem Drittel des
Eugelhohlraumes.
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angemessen. as Eigenvolumen eines Kugelhaufens beträgt bei dichtester
Packung 0,74 V, also knapp 3/4 des zugehörigen Umschließungsvolumens. Bei einer
angenommenen Kugelwanddicke von 2 des Kugelaußendurchmessers ergibt sich ein Werkstoffanteil
von 11,5 % des Kugel- oder von 8,5 ic des Speicherraumvolumens. Hohlkugeln aus Stahl
würden somit ein Nettogewicht von 667 kg/m3 Speicherraum aufweisen; die Wasserfüllung
liegt bei 220 kg/m3 Speicherraum. Unterstellt man, daß aus den Kunelwänden eine
Temperaturdifferenz in Höhe von 3500 c abgezogen werden kann, errechnet sich bei
einer spezifischen Wärme 0,11 keal/kg °C ein nutzbarer Wärme-Inhalt von 25 680 kcal/m3
Speicherraum. Die Wasserfüllung kann einen Wärme-Inhalt von ungefähr 220 . 488 =
107 360 keal/m3 aufnehmen, die Gesamtwärmemenge beträgt demnach ca. 133 000 keal/m3
Speicherraum.
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Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Methode liegt nicht nur in der
annähernden Verdoppelung der spezifischen Energiedichte, sondern auch in der Möglichkeit,
den Speicher im Hochtemperaturbereich einzusetzen und erforderlichenfalls Heißluft
oder iasserdampf für die Versorgung nachgeschalteter Stromerzeugungsaggregate herauszuziehen,
Das Raumgewicht des eingebrachten Kugelvorrates ist mit knapp 900 kg/m3 sehr niedrig,
auch der Sostenaufwand dürfte im alle einer Massenproduktion der Stahlkugeln relativ
bescheiden bleiben. Es mag überraschen, daß bei voller Ausnützung der zulässigen
Festigkeit hochwertigen Stahlbleches eine Speicherkugei leichter als die entsprechende
Wassermenge sein kann, wodurch sich sogar eine Anwendung als Schwimmkugel realisieren
ließe.
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Wählt man anstelle des Kugelhaufens ein Zylinderrohrbündel mit ebenfalls
größter Packungsdichte, kommt man auf ein Eigenvolumen von 0,907 V, also über 9/10
des zugehörigen Umschliessungsvolumens. Bei einer angenommenen Zylinderwanddicke
von 4 % des Autsendurchmessers ergibt sich ein Werkstoff-Anteil von 15,4 % des Zylinder-
oder von 14,0 % des Speicherraumvolumens. Bei Stahlrohren betrüge das Nettogewicht
ilOO kg/m3 Speicherraum, die Wasserfüllung läge bei 260 kg/m3 Speicherraum. Auf
den Stahl-Anteil entfiele somit ein nutzbarer Wärmeinhalt von 42 350 kcal/m3 und
auf die Wasserfüllung ein solcher von 126 880 keal/m3; die Gesamtwärmemenge wäre
169 000 kcal/m3.
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Der Mehrverbrauch an Stahl würde zwar 65 % betragen, dafür ließe sich
aber immerhin eine nochmalige Vergrönerung der Energiedichte um 27 só erzielen.
Im übrigen ist darauf hinzuweisen, daß bei Stahlrohren ein niedrigerer Kilopreis
zu erwarten ist als bei Stahlkugeln.
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Der entscheidende Vorteil des Zylinderrohrbündels gegenüber dem Kugelhaufen
liegt darin, daß es erfindungsgemäß möglich ist, die itohre in Doppelwand-Ausführung
senkrecht in den Speicherbehälter einzubringen und zu beliebiger Zeit über frei
zugängliche Ventile zu evakuieren. Auf diese Weise kann man den Wärmedurchgangswiderstand
der llohrwandungen weitgehend an die jeweilige Situation anpassen. Unterteilt man
beispielsweise den zur Verfügung stehenden Speicherraum in vier Quadranten und sorgt
man dafür, daß jede Speicher-Einheit separat aufgeladen bzw. entladen werden kann,
dann hat man die Möglichkeit, die Zylinderrohre einer Einheit sofort nach beendeter
Aufladung zu evakuieren und damit gegen unerwünschte Konvektionsverluste zu sichern.
Dieser Vorgang wiederholt sich, bis alle vier Einheiten aufgeladen sind. Bevor die
erste Einheit wieder entladen werden muß, öffnet man ihre Ventile und läßt eine
bestimmte Luftmenge in den Vakuumraum einströmen. Je mehr Luft eintritt, desto größer
wird die Wärmeleitfähigkeit. Anstelle von Luft könnte auch eine geeignete Flüssigkeit
mit hoher Verdampfungstemperatur infraee kommen. Es wird zwar erforderlich sein,
auch die Wände des Speicherraumes mit einer wirksamen Wärmedämmschicht zu versehen,
auf einen extrem großen WärmedurchgangswidSerstand kann man jedoch verzichten. Dies
erlaubt wiederum eine sparsame Konstruktion. Die verfügbare Wärmeaustauschfläche
wächst mit der Verringerung des Rohrdurchmessers, der Durchströmungsquerschnitt
hingegen bleibt mit etwa 10 % der Speichergrundfläche konstant. Unter Umständen
könnte es von Vorteil sein, die einzelnen Zylinderrohre mit Hilfe von ringförmigen
oder gewendelten Bandagen auf eine gewisse Distanz zu bringen, damit die Durchströmung
auch in Querrichtung möglich wird0 Eine solche Maßnahme hätte auf die Energiedichte
des Speichers keinen allzu nachteiligen Einfluß. Für die stirnseitigen Verschlüsse
der Zylinderrohre gibt es verschiedene Prinzipien0 Wendet man beispielsweise eine
schlanke Kegelform an, erreicht man eine erhebliche Vergrößerung des unteren und
oberen
Anströmraumes und damit eine Herabsetzung des Strömungswiderstandes. Die Ausgestaltung
der Konstruktionsdetails hängt in starkem Maße von der Art des Wärmeträerermediums
ab.
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füllt man die beschriebenen Zylinderrohre nicht mit der zur Dampfbildung
bei einem bestimmten Temperaturmaximum des Speichers erforderlichen Wassermenge,
sondern mit dem Granulat eines hochschmelzenden anorganischen Stoffes von ausreichender
spezifischer Wärme und beträchtlichem Schüttgewicht, erreicht man bei sonst gleicher
Konzeption ebenfalls eine durchaus respektable Energiedichte des Speichers.
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Eine weitere Variante liegt darin, als Füllstoff ein Metall bzw. eine
MetallLegierung von mäßigem Schmelzpunkt und möglichst hoher Schmelzwärme zu wählen
und auf diese Weise einen Hochtemperatur-Latentspeicher-Effekt zu erzielen. In diesem
Falle würden sich allerdings die Investitionskosten vergrößern.
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Für sämtliche Speicherprinzipien gemäß vorstehenden Beschreibungen
wäre die Grundvoraussetzung gültig, daß das Wärmetransportmedium eine Temperatur
von mehreren hundert Grad Celsius liefern muß. Dies ist nur bei Verwendung von Spiegel-
oder Linsensystemen mit sehr hohem Konzentrationsfaktor realisierbar.
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Die erfindungsgemäße Baukastenmethode erfüllt die Bedingung ohne weiteres.
Ein Hochtemperaturspeicher auf der Basis der erfindungsgemäßen Prinzipien übernimmt
gleichzeitig die Aufgabe eines Wärmeaustauschers, macht also eine separate Anlage
überflüssig. Es ist beispielsweise möglich, mit verschiedenen Wärmetransportmedien
gleichzeitig zu arbeiten und damit ein breites Spektrum von Nutztemperaturen abzudecken.
Der Gesamtspeicherraum kann nicht nur in der Grundfläche, sondern erforderlichenfalls
in vertikaler Richtung ein- oder mehrfach unterteilt werden. Somit wäre es denkbar,
beispielsweise auf der tiefsten Ebene Warmwasser, auf der mittleren Ebene Warmluft
und auf der oberen Ebene Wasserdampf abzuziehen. Die Länge der Zylinderrohre, also
die Höhe des Speicherraumes, kann weitgehend beliebig festgelegt werden. In der
Praxis wird man sich natürlich aus Gründen der Fertigungsrationalisierung auf wenige
Normlängen beschränken.
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rechnet man die Wärmekapazität eines Hochtemperaturspeichers gemäß
erläuterter Konzeption auf Kilowattstunden um, kommt man in die Größenordnung von
200 kWh/m3 oder 0,2 kWh/Liter Speichernutzvolumen. Dieser außergewöhnlich hohe Arbeitsinhalt
könnte beispielsweise auch dazu dienen, einen Heliummotor mit geschlossenem Kreislauf
zu versorgen und somit brennstoffunabhangig zu machen. Das Ergebnis wäre ein Kraftfahrzeug
mit völlig geräuschlosem und schadstofffreiem Antrieb, das mit einer Speicherfüllung
einen beachtlichen Weg zurücklegen könnte und deshalb nicht nur für den Großstadtverlsehr
infrage käme. Mit Hilfe geschickt in die Karosserie integrierter Trichterkonzentratoren
ließe sich - vor allem in südlichen Ländern - eine wenigstens teilweise Speichernachladung
während der Fahrt und während der Parkierung im Freien durchführen. Bei Verwendung
einer paraboloidähnlichzn Trichterform großer Schlankheit, zusammengesetzt aus mehreren
konischen Ringen, können Energie verdichtungen mit einem Faktor von mehr als 50
erzielt werden.
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Die Sonne braucht dabei keineswegs genau in der Trichterachse zu stehen.
Das Wärmeträgermedium wird von hinten an die Trichtergrund-Bohrungen herangeführt
und dort sozusagen punktweise aufgeheizt.
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Ein Trichterkonzentrator der beschriebenen Form kann bei entsprechender
Größe erfindungsgemäß als Wärmequelle für Touristen in Sonnenländern eingesetzt
werden0 Dabei besteht die MÖglichkeit, den Konzentrator zusammenfaltbar oder ringweise
zerlegbar zu machen, damit er während des Transportes wenig Platz beansprucht. Als
Werkstoff kommt in erster Linie verspiegeltes Kunststoffmaterial in betracht, sei
es nun ewebe- oder plattenartig aufgebaut. Der Kostenaufwand bleibt in jedem Fall
durchaus bescheiden. Ein solcher Konzentrator hat ein ungewöhnlich breites Anwendungsfeld,
weil er auf jedem praktisch verwertbaren Temperaturniveau arbeiten kann.
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In der flauptanmeldung vom 21.2.77 wurde darauf hingewiesen, daß die
Achteck-Traaschalen vorteilhaft aus acht gleichen Elementen zusammengesetzt werden,
wenn man auf eine stationäre Vorfertigung und einen anschließenden Transport zur
jewei ligen Baustelle anewiesen ist. Eine noch .«ünstigere Lösung liegt erfindungsgemäß
in einer Aufteilung auf neun Elemente,
Diese stellen sich dar als
ein Zentralteil in isorm eines symmetrischen Pyramidenstumpfes und als acht Aufsetzteile
in orm länglicher Trapeze mit stumpfwinklig abgekantetem 'Randbereich.
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Bei der Montage dieser Elemente sind somit insgesamt 16 Verbinclungszonen
zu berücksichtigen. Für die ltandprofilierung der vergefertigten Teile gibt es viele
Möglichkeiten, deren Optimierung in erster Linie vom rfragschalen-Werkstoff beeinflußt
wird. Wählt man oberflächenvergütetes Stahlblech, kommt man bei voller Ausnutzung
des in der statischen Berechnung durchaus vorhandenen Spielraumes auf eine tragende
Hallendachkonstruktion von so großer Wirtschaftlichkeit, daß der Aufwand für die
Randprofilierung im Bereich der Stumpfstöße und für die Verbindungsmittel samt Einlazebänder
praktisch überhaupt keine itolle spielt. Es dürfte sich aller Wahrscheinlichkeit
nach um das material-, lohn- und gemei)lkosten-aufwandmäßig günstigste Tragsystem
für eingeschoßige Hallen mit hoher Lebensdauer und anspruchsvoller Architektur handeln,
das es jemals gegeben hat. Es versteht sich fast von selbst, daß die Stahlblechteile
im Falle einer Großserienfertigung, die sich zweifellos anbietet, mit Karosseriebaumethoden
extrem sparsam und maßgenau produziert werden können, Dies gilt auch für die quadratischen
Einhängeplatten. Aufgrund dieser Vorzüge würde das erfindungsgemäße Baukastensystem
auch für Neubauten einschlägiger Art interessant sein, die nicht "solarisiert" werden
sollen, Dabei könnte man das Prinzip des "Umkehrdaches" für die gesamte fläche verwenden.
Ein nicht zu unterschätzender Vorteil der 9-Elemente-Methode liegt darin, daß sie
das Einlegen eines wärmedämmenden Spezialprofils an der Verbindungsstelle zwischen
Zentralteil und Aufsetzteilen ermöglicht.
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Dadurch läßt sich der Wärmetransport zwischen dem unteren Tragt schalenbereich
und der Außenluft stark reduzieren, wenn infolge maximaler Spiegelschalenschwenkung
die oberseitige Wärmedämmwirkung Einbußen erleidet. Die abgehängte Leichtdecke sollte
auf gleichem Niveau wie das Spezialprofil angeordnet werden.
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Als Werkstoff für die Spiegel schalen kommt erfindungsgemäß außer
Polyurethanschaum auch Glas schaum niedrigen Raumgewichtes infrage i>ie vorteilhafteste
Herstellungsmethode dürfte darin zu finden sein, daß man bereits vorher angefertigtes
Schaumgranulat
mit einem Korndurchmesser von ca. 5 - 10 mm und einem möglichst niedrigen Schüttgewicht
mit einem geeigneten Kunstharz in flüssiger Form dünn ummantelt und dann das Gemisch
in vibrierende Stahl formen unter leichtem Druck einbringt. Die Erregerfrequenz
und -amplitude ist durch Vorversuche zu ermitteln. Dieses Herstellungsprinzip dient
nicht nur der Homogenitätsverbesserung, sondern auch der Formkostenreduzierung.
Es wirkt sich ganz besonders günstig dann aus, wenn Glasschauagranulat verwendet
werden soll, das nicht nur hohe Raumbeständigkeit und Steifigkeit, sondern auch
praktisch absolute Dampf sperrwirkung bietet. Dieser erfindungsgemäße Vorschlag
wäre der erste Schritt einer Nutzbarmachung dieses interessanten Materials für selbsttragende
Formteile relativ komplizierter Gestalt im europäischen Bauwesen. Ob im außereuropäischen
Bereich bereits ähnliche Überlegungen in die Praxis umgesetzt worden sind, konnte
bisher nicht ermittelt werden. Die Granulatmethode vereinfacht auch den Direktverbund
des Reflektorbelages mit dem tragenden Schalenwerkstoff bei Anwendung des Prinzips
der "verlorenen Schalung". Die Zugfestigkeit des "Granulatbetons" kann durch Einlegen
eines Geflechtes aus geeignetem Werkstoff in den statisch günstigen Bereich erhöht
werden, wodurch sich die Gefahr einer Transportbeschädigung weitgehend ausschalten
läßt.
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In der Solartechnik spielt die Jahressonnenstundenzahl eine entscheidende
Rolle. Eine künstliche Beeinflussung der Sonnenscheindauer war bisher nicht möglich.
Erkennt man jedoch, daß das erfindungsgemäße Baukastensystem - umgekehrt betrachtet
-einen großen Wärmestrahler mit parallel gebündelter Energie darstellen würde, wenn
die Absorber ihren großen Wärleinhalt ungehindert über die Reflektoren in den Raum
abstrahlen könnten, kommt man zu dem Ergebnis, daß es gelingen müßte, über ausgedehnten
Solardachflächen eine gezielte Korrektur der in Sonnenrichtung befindlichen Kondensationserscheinungen
in erdnahen Bereich vorzunehmen. Auf diese Weise ließe sich unter Umständen eine
Verhinderung der Bildung von Frühnebel erreichen, der für die gemäßigten Breiten
vor allem im Herbst typisch ist.
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Auch tiefliegende Wolken von mäßiger Flächen- und Höhenausdehnung
dürften stark beeinflußt werden können0 Man muß bedenken,
daß die
Wärmestrahlung von beiden Seiten her wirkt, nämlich von der Sonne direkt und von
den iteflektoren indirekt.
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Die schwebenden Kondenswassertröpfchen werden sozusagen "in die Zange
genommen". Es würde zu weit führen, die Möglichkei ten zu erörtern, die in einer
automatischen Steuerung der Absorberköpfe und der reflektoren liegen könnten, wenn
der Zugewinn an Jahressonnenstunden in der erhofften Größenordnung von ca. 20 -
25 % realisierbar wäre Es ist allerdings auch zu erwarten, daß allein die Existenz
eines großflächigen Solardaches in einer klimatisch einigermaßen günstigen Heion
eine positive Auswirkung auf die darüber ruhenden Luftschichten und damit auf seine
eieene Besonnung haben wird.
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Beschreibung der Zeichnungen: F i g u r1## zeigt eine "Spiegelboje"
in der Draufsicht und in der Seitenansicht. Man erkennt die sechseckige Grundrißform,
welche die ideale "Packungsdichte" ermUglicht. Der prismatische Schwimmkörper 1
kann sich nach unten in Gestalt eines Pyramidenstumpfes 2 fortsetzen. Der obere
flache Pyramidenstumpf 3 trägt die gelenkig verbundene Spiegelplatte 4, deren Nachführungsmechanismus
im Pyramidenstumpf selbst untergebracht ist. Die Spiegelpiatte weist eine leichte
Konkavkrummung auf, damit sie die parallel auftreffenden Solarstrahlen mit dem erforderlichen
geringen Konzentrationsiaktor auf den rechtsseitig zu denkenden Zentral-Absorber
umlenken kann. Die elektronische Steuerung und der Gleichstrom-Getriebemotor der
Nachiührungseinrichtung werden zweckmäßigerweise durch die Solarzellen-iläche 5
mit Schwachstrom versorgt, ein Trichterkonzentrator oder eine Fresnel-Linse können
die Leistungsausbeute beträchtlich erhöhen. Die Konusbolzen 6 lassen sich in Richtung
ihrer Längsachse verschieben, damit eine Entsperrung einzelner Spiegelbojen eriöglicht
wird.
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F i g u r 9 stellt einen Vertikalschnitt durch das "Solardach" einer
Halle von beliebiger Nutzungsart dar. Auf den Stahlrohrstützen 7 ruhen die pyramidenstumpfförmigen
Achteck-Tragschalen 8, die zweckmäßigerweise aus tiefgezogenen Stahlblechteilen
von geringer Dicke zusammengesetzt sind. Die Spiegelschalen zeigen die Form 9 a
und 9 b, weil im einen Falle die Solarstrahlen nach vorwärts und im anderen Falle
nach rückwärts umgelenkt werden müssen.
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Bei diesem mKleeblattsystem" sitzt der Absorber 10 im Zentrum der
quadratischen Einhängeplatte 11 und hat somit eine ortsfeste Position, die den Transport
des Wärmeträgermediums erheblich vereinfacht. Es besteht sogar die Möglichkeit,
unterhalb der Einhangeplatte einen kleinen Wärmespeicher anzuordnen und aus ihm
die Energie für eine Deckenstrahlungsheizung zu beziehen. Dabei könnte man entweder
eine Reihen- oder eine Parallelschaltung des Speichers - installationstechnisch
gesehen - wählens Die abgehängte Leichtdecke 12 würde die Aufgabe des Wärmestrahlungs-Systems
mit übernehmen können. Die Weiterführung der Wärme trägerrohre unter dieser Decke
in Richtung Zentralwärmeaustauscher bzw. -speicher läßt sich nicht nur technisch,
sondern auch optisch einwandfrei lösen. Da die Spiegeischalen relativ flach sind,
ist es sinnvoll, den Auftrieb mit Hilfe von untergehängten Schwimmern 13 zu erzeugen,
deren Form so ausgebildet sein sollte, daß der Schwerpunkt der verdrängten Flüssigkeit
auch im Falle des Kippens der Spiegelschale einigermaßen senkrecht une ter dem SchalenschwXrpunkt
bleibt. Der Kippwinkel reduziert sich auf den halben Wert des durch die Sonnenstandsänderung
gegebenen Strahleneinfallkeiles, Auch in dieser Tatsache kann ein Vorteil gegenüber
der Lösung gemäß Hauptanmeldung gesehen werden. Ein weiteres Positivum dürfte in
der leichteren Reinigung und Entwässerung der Spiegelfläche zu finden seine
Figur
##3 zeigt einen Vertikal schnitt durch drei nebeneinander liegende Vakuumrohre mit
einem Drehwinkel von 45 Grad.
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Die lichtdurchlässigen Teilschalen 14 und die innenseiti& verspiegelte
Teilschale 15 besitzen den gleichen parabolischen Querschnitt und eine übereinstimmende
Randprofilierung, die bei dem vorhandenen Maßstab allerdings nur symbolisch angedeutet
werden konnte. Line vorteilhafte Stoß-Ausbildung läßt sich beispielsweise mit Hilfe
eines geknickten H-Profils aus Leichtmetall oder Kunststoff bewerkstelligen. Die
zylindrischen Absorberröhren 16 sind in der Brennlinie der Teilschale 15 angeordnet
und nehmen ungefähr die Mitte zwischen der Drehachse 17 und dem Parabelschei tel
ein. Man kann leicht erkennen, daß der Lichteinfall zwischen den Vakuumrohren mit
zunehmendem Drehwinkel - bezogen auf die vertikale Normalstellung der optischen
Achse - zunimmt. Auf diese Weise ergibt sich eine sehr günstige Anpassung an den
jeweiligen Sonnenstand, wenn man sich vorstellt, daß das gleiche Querschnittsprinzip
für die Überdachung einer treibhausähnlichen Halle verwendet wird. Die Beschattung
der Verspiegelung beginnt bei einem Drehwinkel von ungefähr 40 Grad und vergrößert
sich ebenfalls mit sinkender Sonne. Diese Eigenschaft fällt umso weniger ins Gewicht,
je südlicher der Standort des Bauwerks liegt.
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Verzichtet man auf die Evakuierung des Rohres, kann die Parabelkrümmung
so weit reduziert werden, bis die Brennlinie mit der Drehachse zusammenfällt und
die Absorberröhre die hohle Drehachse zentrisch durchdringt, ohne einer Abkröpfung
zu bedürfen. Aufgrund der Teilschalen-Abflachung ergeben sich verbesserte Bedingungen
für die statische Berechnung des Systems.
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4 Figur ### stellt den Eckbereich eines Zylinderrohr-Speichers in
irorizontal- und Vertikalschnitt dar. Verwendet man als Füllung Wasser oder Granulat,
müssen die Zylinderrohre 18 einen Doppelmantel erhalten, der bei Bedarf über die
kopfseitigen Ventile 19 evakuiert werden kann.
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Die Wanddicke des Inueninantels hat sich nach dem zu
erwartenden
maximalen Innendruck zu richten, für die Dicke des Außenmantels ist der atmosphärische
Druck mangebend. Wählt man jedoch einen formstabilen Speicherkern, ist der Innenmantel
nicht unbedingt erforderlich, wenn man die Wärmebrücken, die sich aus den Abstandshaltern
ergeben, in Kauf nehmen will. Diese lassen sich allerdings auf zwei kleine Kugeln
gerineer Wärmeleitfähigkeit in den beiden Spitzenbereichen beschränken, der Kugeldurchmesser
hängt von der Druckfestigkeit des Werkstoffes ab. Mit Hilfe einer solchen Kreislinien-Abstützung
kann ein beachtlicher Wärmedurchlaßwiderstand erreicht werden. Die Vakuumkammer
sollte nach Art eines Dewar-Gefäßes mit einer Innenverspiegelung gegen übermäßige
Wärmeabstrahlung geschützt sein. Beispielsweise kann die Einbringung hoch reflektierender
Folien in Betracht gezogen werden, die aus Temperaturgründen zweckmäßigerweise aus
Aluminium bestehen sollten. Im Zylinderrohr 18 a ist eine Wasserfüllung dargestellt,
im Rohr b eine Granulatfüllung und im Rohr c eine Feststoff-Füllung, die durch zwei
Kugeln 20 abgestützt wird. In den Fällen a und b kann der stählerne Innenmantel
durch Magnet felder auf Distanz zum Außenmantel gebracht werden.
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Für die praktische Anwendung dieses neuartigen Speicherprinzips reicht
es aus, wenn nur die wandnahen Zylinderrohr-Reihen eine Hochvakuum-Isolierung besitzen.
Selbstverständlich muß auch berücksichtigt werden, für welchen Zeitraum die weitgehend
verlustfreie Wärmespeicherung wirksam sein soll.
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Die Wandung des Speicherraumes bedarf keiner extrem hohen Wärmedämmung,
wenn der Speicher im Inneren eines Gebäudes untergebracht ist, was in der Regel
der Fall sein wird. Etwaige Wärmeverluste kommen letzten Endes dem Gebäude selbst
zugute. Die Abdeckung des Speicherraumes besteht erfindungsgemäß aus den vorgefertigten
Lochrasterplatten 21, die Loch-Anordnung muß der Lage der Vakuumventile entsprechen.
Durch unterseitige Verspiegelung der Platten wird der Wärmeabfluß nach oben
stark
eingeschränkt, auch die Wände der Löcher sollten zweckmäßigerweise mit einer ßeflektorhülse
ausgestattet werden. Als oberer Lochverschluß 22 kommen beispielsweise hohle Kunststoffstöpsel
infrage, die ebenfalls auf ihrer Unterseite verspiegelt sein können.
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Die seitlichen Stoßfugen der vorgefertigten Lochrasterplatten sind
vorteilhaft mit Schaumstoff-flundschnüren 23 abgedichtet, die als Träger eines dauerplastischen
Vergusses 24 dienen. In Großspeichern mit einer lichten Höhe von etwa 2 Meter und
darüber kann anstelle der vorgefertigten Lochrasterplatten eine fest eingebaute
Decke sinnvoll sein, die ebenfalls eine Lochrasterung aufweisen muß. Damit die Zylinderrohre
eingesetzt werden können, benötigt man auf der Fußbodenoberfläche konusförmige Höcker
mit ebenfalls konischer Vertiefung, in der das jeweilige Speicherrohr nach dem Einschieben
in das zugehörige Ventilloch seinen endgültigen Sitz findet. Die möglichst in der
Höhe verschiebbaren Distanzringe aus wärmebeständigem Werkstoff sind strichliert
angedeutet. Sie benötigen nur eine Dicke von wenigen Millimetern.
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5 Figur #### zeigt einen Querschnitt durch einen linearen Parabol-Konzentrator
von großer Schlankheit. Die vorzugsweise aus verspiegelten Kunststoff-Hartplatten
geformten Wände 25 sind im Scheitelbereich offen, damit die tiefliegende Absorberröhre
26 Platz finden kann.
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Wäre ein Paraboloid gewählt worden, käme anstelle der Absorberröhre
eine Absorberkugel zum Einsatz. Die scheitelnahe Brennlinie bietet den Vorteil einer
gelinearen Abhängigkeit der Wärmeenergiekonzentration von der Achsparallelität des
Strahleneinfalls. Will man den Nachführungszwang noch weiter lockern, bietet sich
erfindungsgemäß der Einbau zweier separat schwenkbarer Reflektorplatten 27 und 28
an, die dafür sorgen, daß auch ziemlich schräg einfallende Strahlen zum Absorber
gelangen. Im Falle einer exakten Nachführung der optischen Achse bleibt immerhin
eine Wirkungsgraderhöhung aufgrund des Einfangens diffuser Strahlung erhalten.
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6 Figur ß stellt einen Querschnitt durch einen Trichterkonzentrator
von großer Schlankheit dar, der aus vier kegelstumpfförmigen Ringen verschiedenen
Anlaufwinkels zusammengesetzt ist. Der Querschnitt läßt erkennen, dan der Trichter
im weiten Bereich einem Paraboloid ähnelt, im engen Bereich jedoch davon deutlich
abweicht. Die Ringwände 29 bestehen auch in diesem Falle vorteilhaft aus verspieelten
Kunststoffplatten, die auf einfache Weise unter Einwirkung von Wasser dampf oder
Heißluft geformt werden können. Der letzte Ring 29 d hat eine Öffnung, deren Durchmesser
ungefähr 10 % des maximalen Trichterdurchmessers am Ring 29 a beträgt. Der Konzentrationsfaktor
liegt mit ca. 100 außerordentlich hoch, die Temperatur der Mündungs-Ebene kann bei
entsprechender Trichtergröße und guter Besonnung auf weit mehr als 100000 ansteigen,
wenn man den Energie-Abfluß drosselt. Beispielsweise wäre es möglich, die Trichtermündung
mit einer inwendig geschwärzten Hohlkugel zu umgeben, die auf der Außenseite stark
isoliert oder sogar mit einem Vakuum-Mantel versehen ist.
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Auch bet diesem Konzentrator ist keine präzise Nachführung erforderlich.
Der Einbau eines konzentrischen Zusatztrichters 30 führt zu einer weiteren Vererößerung
des Einfallkeeelwinkels bzw. der Verarbeitbarkeit diffuser Strahlungsanteile. Der
Zusatztrichter kann durch dünne Drähte, welche die obere und die untere Montagefuge
des Trichterkonzentrators durchdringen, mit diesem fest verspannt sein. Es wäre
jedoch auch denkbar, mittels korrigierbarer Drahtspinnen eine Anpassung der Achslage
des Zusatztrichters an die jeweilige Haupteinfallsrichtung vorzunehmen.
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Die geometrische Form des erfindungsgemäßen Trichterkonzentrators
und der freie Strahlenaustritt an seiner Mündung rechtfertigt die Bezeichnung "Thermodüse".
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Dies gilt umso mehr, wenn erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, den
Konzentrator bei fehlender Solarstrahlung auch als Windbeschleunigungsdüse einzusetzen.
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L e e r s e i t e