DE2719054A1 - Hochbau-system in stuetzen/schalen- bauweise nach einem neuartigen baukastenprinzip mit voll integrierter anlage zur solarenergieverwertung zwecks erzielung einer vollkommenen heizungs-, beleuchtungs- und kraftstrom-autarkie bei minimaler erhoehung der gesamtbaukosten und maximaler reduzierung des amortisationszeitraumes durch einsatz neuester technologien - Google Patents

Hochbau-system in stuetzen/schalen- bauweise nach einem neuartigen baukastenprinzip mit voll integrierter anlage zur solarenergieverwertung zwecks erzielung einer vollkommenen heizungs-, beleuchtungs- und kraftstrom-autarkie bei minimaler erhoehung der gesamtbaukosten und maximaler reduzierung des amortisationszeitraumes durch einsatz neuester technologien

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DE2719054A1 DE19772719054 DE2719054A DE2719054A1 DE 2719054 A1 DE2719054 A1 DE 2719054A1 DE 19772719054 DE19772719054 DE 19772719054 DE 2719054 A DE2719054 A DE 2719054A DE 2719054 A1 DE2719054 A1 DE 2719054A1
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Description

  • Hochbau-System in Stützen/Schalen-Bauweise nach einem neuarti-
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der unterhalb des Wasserspiegels befindliche Teil der Spiegelboje kann prismatisch oder pyramidenstumpfförmig sein, auch an eine Kombination beider Körperformen ist durchaus zu denken.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • rür die Verspieelung der Drittelsschale dürfte sich vor allem das Prinzip der Netallbedampfung im Hochvakuumbehälter eignen.
  • Auch das Aufkleben dünner Reflektorfolien wäre denkbar.
  • 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.
  • Auf der Innenseite der beiden unverspiegelten Drittelsschalen kann eine Filterschicht aufgedampft sein, die als Schutz gegen unerwünschte Wärmeabstrahlung dient.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die geometrische Form des erfindungsgemäßen Trichterkonzentrators und der freie Strahlenaustritt an seiner Mündung rechtfertigt die Bezeichnung "Thermodüse".
  • Dies gilt umso mehr, wenn erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, den Konzentrator bei fehlender Solarstrahlung auch als Windbeschleunigungsdüse einzusetzen.
  • L e e r s e i t e

Claims (25)

  1. Patentansprüche: Ü Hochbau-System in Baukastenform nach den Ansprüchen 1 - 9 der liauptanmeldung vom 21.2.77 Aktenzeichen P 27 11 261.4, durch g e k e n n z e i c h n e t , daß im Falle einer erforderlichen und geländemäßig realisierbaren Anlegung eines Pumpspeichersees die Langzeitspeicherung überschüssiger Solarenerie aus den Sommermonaten nicht nur in Form potentieller statischer, sondern auch in Form von Wärme-Energie erfolgt, und außerdem die zur Wärmeverlustreduzierung notwendige schwimmende Isolierdecke dazu verwendet wird, die ihre Oberfläche treffenden Solarstrahlen in geeigneter Weise zu konzentrieren und für zusätzlichen Energiegewinn während des ganzen Jahres nutzbar zu machen, wobei in erster Linie an eine Vermehrung der Pumparbeit zwecks Vergrößerung des Vorrates an potentieller Energie gedacht werden kann.
  2. 2. Hochbau-System nach Anspruch 1 , dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die schwirnende Isolierdecke aus bojenartigen Einheiten mit sechseckiger Grundfläche zusammengesetzt wird, die auf ihrer vorzugsweise flachpyramidenstumpfförmigen Abdeckhaube sechseckige Spiegelplatten mit leichter Konkavkrümmung tragen, wobei eine drehbare Lagergabel eine zweiachsige Bewegung der Spiegelplatte relativ zur Abdeckhaube ermöglicht,
  3. 3. Hochbau-System nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die selbsttätige Nachführung der Spiegelplatte durch ein System bewerkstelligt wird, das aus einer Vierquadranten-Fotozellensteuerung mit zusätzlichem Infrarot-Peilgerät, einem Gleichstrom-Getriebemotor mit Schneckenabtrieb, den damit in Eingriff stehenden Zahnrädern bzw. Zahnstangen+ und aus einer kleinen Gruppe von Solarzellen besteht, deren Stromausbeute vorteilhaft mit Hilfe eines Trichterkonzentrators oder einer Fresnellinse erhöht wird,
  4. 4. Hochbau-System nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c l n e t , dann die einzelnen "Spiegelbojen nach dem Einschwimmen durch jeweils 6 axial verschliebliche Konusbolzen und ebenfalls 6 Konuslöcher mit den benachbarten Bojen gelenkig verbunden werden, wodurch sich eine jederzeit lösbare Xcpplung ergibt, die der Stabilisierung gegen Wind- und Welleneinfluß sowie gegen unerwünschtes Kippen beim Beehen dient.
  5. 5. Hochbau-System nach den Ansprüchen 1 bis :4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Spiegelbojenprinzip aufgrund der wenig aufwendigen Strahlenkonzentration auf einen maxtsestützten Zentral-Absorber und der daraus resultierenden Hochtemperaturgewinnung nicht nur als Erganzung hochgelegerer Pumpspeicherseen, sondern auch als eigenständiges System zur solarthermischen Stromerzeugung auf vorhandenen Seen beliebiger Art verwendet wird, wobei die Schaffung großflächiger, gegen ungewollte Abdrift verankerter Solar-Inseln die vorteilhafteste Lösung darstellt, die als zusätzlichen Effekt eine positive Beeinflussung der benachbarten Vegetation aufweisen dürfte.
  6. 6. Hochbau-System nach den Ansprüchen i bis 9 der Hauptanmeldung, dadurch 4 e k e n n z e i c h n'e t , daß die kollektorköpfe mittels mannshoher Standrohre im Zentrum einiger quadratischer Einhängeplatten fixiert und jedem Topf nehrere - vorzugsweise vier - Spiegelschalen zuge~ ordnet werden, die ihn mit umelenkter und dabei weitgehend fokussierter Solar-Enerie gemeinsam beschicken.
  7. 7. Hochbau-System nach den Ansprüchen 1 bis 9 der Hauptanmeldung, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß neben dem hallenartien Bauwerk ein Mast errichtet wird, der einen Zentral-Absorber tragt, zu dessen Energieversorgung sämtliche Spiegelschalen gemeinsam und gleichzeitig verwendet werden.
  8. 8. Hochbau-System nach den Ansprüchen 1 bis 9 der Hauptanmeldung, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß auf den quadratischen Einhängeplatten und gegebenenfalls auch auf den sonnenbeschicnenen Außenwänden die solarthermische Energie-Umsetzung durch flache Batterien drehbarer Vakuumrohre erfolgt, d@ren @uerschnitt einem Dreigelenk-Bogendreieck entspricht, das nicht nur in statischer Hinauch sich sehr günstig ist, sondern/auf direkte Weise die Möglichkeit bietet, eine der drei parabolischen Teilschalen innenseitiz mit einer Verspiegelung zu versehen, die das in die rohre durch die beiden anderen hochtransparen ten Teilschalen hindurch dringende Sonnenlicht auf eine gläserne Absorberröhre linear fokussiert und so das strömende Wärmeträgermedium auf ein Temperaturniveau anhebt, das erforderlichenfalls auch eine Wasserdampf-Erzeugung erlaubt,
  9. 9. Hochbau-System nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t t , daß das Kollektorrohrprinzip mit Drei-@elenk-Bogendreiecks-Querschnitt und Innenverspiegelung einer Drittelsschale im Falle einer Vergrößerung des Rohr durchmesers auf ungefähr 1,00 - 1,50 m die Herstellung sehr biegesteifer und trotzdem leichter Hohlträger ermöglicht, deren Teilschalen vorzugsweise aus feingliedrigen Dreiecksnetzwerken geeigneten Werkstoffes bestehen, mit dem Ziel, ein äußerst wirtschaftliches Solardachsystem für treibhausähnliche Großhallen mit extremen Stützenabständen und einfachster Konstruktion zu scahffen, das nicht nur den Licht- und Wärmebedarf der jeweiligen Pflanzenkulturen üher das stanze Jahr hinweg deckt, sondern darüber hinaus noch soviel Uberschuß-Energie von relativ hohem Temperaturniveau bietet, daß zum mindesten die benachbarten Wohnungen der Mitarbeiter und sämtliche Arbeitsmaschinen samt Reparaturwerkstätten mit Wärme und @icht- bzw. Kraftstrom versorgt werden können.
  10. 10. Hochhan-System nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n -z e i c n n e t , daß die Teilschalen und die Absorber röhren in transportgünstiger Länge industriell vorgefertir:t, an Verwendungsort montiert, mit leichtem Autokran in die bereits vorhandenen Lagerschalen eingeschwebt und dann mit einer durchsichtigen Regenschutzfolie umhüllt werden, die von Zeit zu Zeit mit bescheidenem Kostenaufwand erneuerbar ist.
  11. 11. Hochbau-System nach Anspruch 1 der Hauptanmeldung und weiteren Ansprüchen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß der zentrale Wärmeanstauscher vorteilhafterweise in Gestalt eines aufgegliederten iiochtemperaturspeichers unterhalb der Fußboden-Ebene der Halle einebaut und dabei so dimensioniert wird, daß die Kapazität die erwarteten Wärmeenergiespitzen abdeckt und daß die Temperaturniveaus der Ausgänge dem tatsächlichen Bedarf entsprechen.
  12. 12. Hochbau-System nach Anspruch it, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß in die einzelnen Speicherkammern relativ dünnwandige Stahlkugeln von Tennisballgröße mit maximaler Dichte gepackt werden, die zu ungefähr 1/3 mit Wasser gefüllt sind und bei einer Speichertemperatur von 3740C sowie einem Innendruck von 225 at eine Wärmekapazität von ca. 133 000 kcal/m3 Speicherraum besitzen.
  13. 13. Hochbau-System nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Stahlkugeln mit einem temperaturbeständigen Granulat von möglichst hoher spezifischer Wärme gefüllt werden, wobei sich bei ebenfalls beachtlicher Kapazität ein nur sehr mäßiger Innendruck ergibt, der von einer sehr dünnen Kugelwand aufgenommen wird.
  14. 14. Hochbau-System nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß in die einzelnen Speicherkammern doppelwandige Stahl-Zylinderrohre mit etwa 100 mm Außendurchmesser und mindestens 1200 mm Höhe dicht gepackt werden, die zu ungefähr 1/3 mit Wasser gefüllt sind und bei einer Speichertemperatur von 374 0C sowie einem Innendruck von 225 at eine Wärmekapazität von ca. 169 000 kcal/m3 Speicherraum besitzen, wobei die Fiantelluft nach Erreichung der maximalen Speichertemperatur über ein von oben frei zugängliches Ventil evakuiert und erst zum Zeitpunkt der beabsichtigten Entladung wieder allmählich eingelassen wird, damit die ursprüngliche Wärmeleitfähigkeit der Rohrwandung zurückgewonnen werden kann.
  15. 15. Hochbau-System nach den Ansprüchen 11 und 14, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die doppelwandigen Rohre mit einem temperaturbeständi£en Granulat von möglichst hoher spezifischer Wärme gefüllt werden, wobei sich Kapazitäten von mehr als 180 000 keal/m3 Speicherraum bei sehr mäßigem Innendruck und entsprechend dünner Innenwand ergeben können, die man bei optimaler Nutzung des Vakuummantelverfahrens über einen längeren Zeitraum bei geringem Temperaturabfall blockieren kann.
  16. 16. Hochbau-System nach den Ansprüchen li, 14 und 15, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der evakuierbare Isoliermantel unter Verzicht auf das Innenrohr zwischen einem formstabilen, hochtemperaturbeständigen, dichten Speicherkern mit Spiegelfolien-Umwicklung und dem innenseitig verspiegelten Außenrohr gebildet wird, wenn sich der an beiden Enden kezelförmig zugespitzte Speicherkern, dessen Zusammensetzung auf einer Optimierung der spezifischen Wärme des Kernmaterials beruht, auf zwei Kugeln mit möglichst hohem Wärmedurchlaßwiderstand gegen die ebenfalls konisch geformten Enden des dünnwandigen Stahlmantels in konzentrischer Position abstützen kann.
  17. 17. Hochbau-System nach den Ansprüchen ii und 16, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Festkernspeicher mit Zylinderrohrmantel und frei von oben zugänglichem Evakuierungsventil bei zweckmäßiger Auswahl des Kernmaterials und maximal erreichbarer Eingangstemperatur des die Speicher rohre umspülenden gasförmigen Wärmeträgermediums eine Wärme kapazität von weit mehr als 200 000 kcal/m3 Speicherraum bieten kann, ohne seine Eigenschaft als potentieller Langzeitspeicher einzubüßen,
  18. 18. Hochbau-System nach den Ansprüchen 11 und 14 bis 17', dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Decke des Speicherraumes aus ortsfesten oder abnehmbaren Lochplatten mit unterseitieer Verspiegelung besteht, deren Lochraster mit den Achsabständen der unter Zwischenschaltung dünner Distanzringe dicht gepackten Zylinderrohre übereinstimmt, damit die Evakuierungsventile der Speicherrohre ihren Platz inmitten der'mantelverspiegelten und mit Isolierstopfen verschließbaren Deckenlöcher finden können,
  19. 19. Hochbau-Ststem nach den Ansprüchen 16 bis 18, dadurch E e -k e n n z e i c 1l n e t , daß dar Festlcernspeicher einen spezifischen Arbeitsinlalt von 200 - 250 kWh/m3 Hohlraumvolumen bei einer nutzbaren Tamperaturspanne von ungefähr 3500C und einem-anteiligen Stahlmantelgewicht von etwa 300 kg/m3 hohlraumvolumen besitzt und damit eine Energie kapazität bietet, die so weit über den Werten der bekannt gewordenen Speichersysteme liegt, daß sie sich als Basis für die Versorgung geeigneter Fahrzeug-Antriebmaschinen zu Lande oder auf dem Wasser, wenn nicht gar für speziell konstruierte Luftfahrzeuge, geradezu anbietet, wobei das anteilige Mantelgewicht bei Verwendung einer passenden Leichtmetall-Legierung um mehr als die Hälfte reduziert werden könnte.
  20. 20. Hochbau-System nach den Ansprüchen 1, 4 und 9 der Hauptanmeldung, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die solarthermische Umsetzung über den quadratischen Einhängt platten und vor den Rücksprünen der sonnenseitigen Fassadenbereiche vorteilhaft mit linearen Parabolkonzentratoren von großer Schlankheit und scheitelnaher Brennlinienposition bewerkstelligt wird, die in der Brenn-Ebene zwecks Einfügung der linearen Absorberröhre und Entwässerung der Scheitelzone einen durchlaufenden Schlitz angemessener Breite aufweisen, und außerdem durch Einbau zweier voneinander unabhängig schwenkbarer Reflektorplatten mit beidseitiger Verspiegelung und hauptachsgerechter Lagerung noch mehr vom Zwang einer exakten Nachführung der optischen Achse befreit werden önnen, als dies bei einer scheitelnahen Brennlinie ohnehin günstigerweise der Fall ist.
  21. 21. Hochbau-System nach Anspruch 20, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß aufgrund des beachtlichen Konzentra tionsfaktors und der zusatzlichen Einfangung diffuser Strahlung die linearen Parabolkonzentratoren auch für die fotovoltaische Energieumsetzung bei sparsamer Verwendung der vorerst noch relativ teuren Solarzellen als besonders vorteilhaftes Prinzip in Betracht gezogen werden können.
  22. 22. Hochbau-System nach den Ansprüchen 1, 4 und 9 der Hauptanmeldung, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die solarthermische oder fotovoltaiscne Energieumsetzung in Fällen, die eines besonders hohen Konzentrationsfaktors bedürfen, vorteilhaft mit Hilfe von Trichterkonzentratoren großer Schlankheit, die eine paraboloidähnliche Form, zusammenaesetzt aus mehreren kegelstumpfartigen Spiegelringen, aufweisen, bewerkstelligt wird.
  23. 23. Hochbau-System nach Anspruch 22, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die schlanken Trichterkonzentratoren, die man aufgrund ihrer geometrischen Eigenschaften als "Thermodüsen" bezeichnen könnte, durch Einbau eines koaxialen Zusatztrichters mit beidseitiger Verspiegelung, der unter Zuhilfenahme zweier Drahtspinnen mit den Ringstößen des üaupttrichters fest oder schwenkbar verbunden ist, noch unabhängiger von einer exakten Nachführung der optischen Achse werden, als dies infolge der diesbezüglich optimierbaren Trichterform ohnehin schon der Fall ist.
  24. 24. Hochbau-System nach den Ansprüchen 22 und 23, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Trichterkonzentrator bei entsprechender Öffnungsgröße und stabilisierter Bauweise eine Doppelfunktion erfüllen kann, nämlich die Bün-.
    delung yon Strahlungs-Energie zwecks Umsetzung in Wärme oder Strom für die verschiedensten Anwendungszwecke - hier wäre beispielsweise an den Energiespeicher eines Fahrzeuges oder an den Bedarf eines Autoreisenden in wenig erschlossenen Regionen zu denken - und die i3eschleuniung des in Achsrichtung einfallenden Windes im Interesse einer besonders wirkungsvollen und raumsparenden Umsetzung in Rotationsenergie, wobei die Verwendung einer rasch anklemmbaren Rohrturbine passenden Durchmessers und einfacher Ausführung die günstigste Methode darstellt.
  25. 25 . Hochbau-System nach Anspruch 1 der Hauptanmeldung und weiteren Ansprüchen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß ein Teil der bei konsequenter "Solarisierung" erforderlich werdenden Verspiegelungen zweckmäßigerweise als hauchdünner Aluminium oder Silberliiederschlap auf hochreißfesten und -alterun¢sbeständicen Feinstgeweben - als Werkstoff kommt beispielsweise Polyamidfaser infrage - in großen Hochvakuumi:esseln mit Besckickungsschleusen und voll automatisierten Wickel-Einrichtungen unter Anwendung des an sich bekannten Bedampfungsverfahrens bei möglichst reichlicher Bahnenbreite aufgebracht wird, wobei die Verwendung mehrerer Gewebelagen und die Anschmelzung der äußeren Lagen im Kalander zwecks Schaffung einer möglichst glatten Verspiegelungsbasis trotz des höheren Aufwandes an Gewebematerial sehr sinnvoll sein kanns weil der Bedarf an flexiblen Spiegelbahnen von ausreichender Güte in wenigen Jahren lawinenhaft anwachsen wird und die daraus resultierende industrielle Fertigungstechnik einen stetig sinkenden Quadratmeterpreis zur Folge haben muß.
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