DE2722992A1

DE2722992A1 - Sonnenstrahlungskollektor

Info

Publication number: DE2722992A1
Application number: DE19772722992
Authority: DE
Inventors: Robert I Frank; Roy Prof Kaplow
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1976-05-26
Filing date: 1977-05-20
Publication date: 1977-12-15
Also published as: IL52012A0; JPS537851A; CA1088827A; FR2353091A1; GB1553786A; US4086485A; ZA772568B; NL7705026A; BR7703380A; AU515990B2; IL52012A; IT1077190B; AU2547877A

Description

OR.-ING. DIPL-ING. M. SC. Dl "1..--KYS OR. OIPL.-PHYS.

HÖGER - STELLRECHT - «RIESSBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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16.Mai 1977

Massachusetts Institute of Technology 77, Massachusetts Avenue Cambridge, Mass., USA

Sonnenstrahlungskollektor

Die Erfindung betrifft einen Sonnenstrahlungskollektor mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Kollektorein heiten, die um zwei senkrecht aufeinanderstehende Achsen verschwenkbar sind.

Man hat bereits lange erkannt, dass Sonnenstrahlungskollektoren in Bezug auf die Sonne richtig orientiert werden müssen, und daher eine Anzahl von Verstellmechanismen vorgeschlagen, die in Anbetracht der ökonomischen Seite des Problems zunehmend einfacher wurden. Alle diese Vorschläge erfordern jedoch, dass die gesamte Struktur stabil und steif ist und dass die einzel nen Elemente eines solchen Sonnenkollektors genau vorjustiert sind. Da durch diese Erfordernisse die Kosten der Sonnenkollek toren sehr hoch werden, hat man hier erhebliche Kompromisse hinsichtlich der Präzision eingehen müssen, und das bedeutet natürlich eine schlechte Ausnützung der verfügbaren Energie.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Sonnenstrahlungskollektor der eingangs beschriebenen Art derart zu verbessern, dass er bei optimaler Sonnenstrahlungsausnützung keine besonderen Massnahman hinsichtlich mechanischer Stabilität und Präzision der

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Vorjustierung der einzelnen Kollektorelemente erfordert.

Diese Aufgabe wird durch einen Sonnenstrahlungskollektor der eingangs beschriebenen Art gelöst, der gekennzeichnet ist

durch eine eigene Schwenklagerung für jede Kollektoreinheit, durch die jede Kollektoreinheit zumindest um die eine der beiden Achsen unabhängig von den anderen Kollektoreinheiten verschwenkbar gelagert ist,

durch einen eigenen Stellantrieb für jede Schwenkachse jeder Schwenklagerung,

durch mindestens eine jeder Kollektoreinheit zugeordnete, fest mit ihr verbundene und bezüglich der optischen Achse der Einheit ausgerichtete, strahlungsempfindliche Zelle,

durch einen Mikroprozessor zur Auswertung der Ausgangssignale jeder dieser Zellen sowie zur Erzeugung eines Stellsignals für den einer bestimmten Zelle und damit einer bestimmten Kollektoreinheit zugeordneten Antrieb, durch welches die Kollektoreinheit entsprechend dem Ausgangssignal ihrer Zelle um die Achse oder die Achsen der Schwenklagerung in eine optimale Ausrichtung zur Sonne verschwenkbar ist,

durch eine erste Multiplexeinrichtung zur aufeinanderfolgenden, periodischen Verbindung der Ausgänge der den Kollektoreinheiten zugeordneten strahlungsempfindlichen Zellen mit dem Mikroprozessor und durch eine zweite Multiplexeinrichtung zur aufeinanderfolgenden, periodischen Verbindung des Ausgangs des Mikroprozessors mit den Stellantrieben der Kollektoreinheiten,

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deren Zellenausgänge durch die erste Multiplexeinrichtung mit dem Mikroprozessor verbunden sind.

Durch diese Ausbildung kann jede Kollektoreinheit unabhängig von jeder anderen Kollektoreinheit optimal justiert werden, wobei lediglich eine einzige elektronische Schaltung nötig ist, die nacheinander von jeder Kollektoreinheit die Messignale empfängt und ihr dann die entsprechenden Stellsignale zuführt.

Der erfindungsgemässe Kollektor lässt sich besonders günstig aus Einzelbausteinen aufbauen und installieren.

Kurz zusammengefasst macht die vorliegende Erfindung die Struktur massige Festigkeit und die genaue individuelle Ausrichtung der Elemente in einer festen Anordnung dadurch überflüssig, dass eine einzige elektronische Vorrichtung die Position eines jeden Elementes des Arrays sowohl bestimmt als auch korrigiert, und zwar in einer vorprogrammierten Folge. Das Erfordernis der mechanischen Ausrichtung und der strukturellen Festigkeit wird dadurch umgangen, dass man eine elektronische Fühlvorrichtung und eine logische Schaltung verwendet, die die Bewegung jedes Elementes individuell steuert. Die Messignale können von getrennten Sensoren abgeleitet werden, die sich jeweils bei jedem Element der Anordnung befinden. Für den Fall, dass das Kollektorsystem ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, kann dieses als Messignal verwendet werden. Die elektronische Verarbeitungsvorrichtung kann dann so programmiert werden, dass sie elektrische Steuersignale für die Korrektur der Orientierung der einzelnen Elemente liefert, die entweder aufgrund der Maximierung der gewünschten Messignalgrösse oder aufgrund der Abweichung

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von einer bestimmten festen Grosse erzeugt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte, teilweise aufgebrochene perspektivische Ansicht einer auf einem Dach installierten Kollektoranordnung gemäss der Erfindung;

Fig. 2 eine vergrösserte, perspektivische Ansicht einer zur Verdeutlichung teilweise aufgebrochen dargestellten, einen Teil der Kollektoranordnung der Fig. 1 bildenden Kollektoreinheit mit Lagerung;

Fig. 3 eine Schnittansicht des Kollektors und der Lagerung der Fig. 2, wobei der Schnitt längs Linie 2-2 in Fig. 4 geführt ist;

Fig. 4 eine schematische, diagrammartige Darstellung des Kollektors, der Fühlvorrichtung und des Positionierantriebes für die einzelnen Einheiten der Anordnung der Fig. 1 und

Fig. 5 eine vereinfachte Seitenansicht einer eine Vielzahl von Elementen umfassenden Untereinheit der in Fig. dargestellten Vorrichtung und der durch Pfeile 2-2 in Fig. 4 gekennzeichneten Ansicht.

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In den Fig. 1 und 2 ist eine Sonnenstrahlungs-Kollektoranordnung mit einer Vielzahl von Einheiten dargestellt, die im vorliegenden Beispiel zwölf gleiche Kollektoreinheiten 1O umfasst. Die Anordnung ist im Inneren eines kastenförmigen Rahmens oder Gehäuses 11 angeordnet und befestigt. Mittels geeigneter Beine

12 wird das Gehäuse 11 in geeigneter Weise schräg auf dem Dach

13 eines Wohnhauses oder dergleichen befestigt. Der Boden und die Seitenwände des Gehäuses können aus Holz, Metall oder einem anderen undurchsichtigen Material bestehen, das Gehäuse wird durch einen durchsichtigen Deckel 14 verschlossen. In der Darstellung der Fig. 1 hat dieser Deckel eine schalenartige Struktur. Seine Oberseite und seine Seitenwände sind teilweise entfernt, so dass man erkennen kann, dass die einzelnen Kollektoreinheiten 10 ihrerseits in Gruppen 15 zu je drei Kollektoreinheiten zusammengefasst sind. Der in Fig. 1 dargestellte Kollektor besteht also aus vier Gruppen 15.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, umfasst jede Gruppe 15 einen ersten, länglichen, rechteckigen Rahmen, der aus länglichen Seitenteilen 16 und diese in regelmässigen Abständen verbindenden Abstandshaltern 17 besteht. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist der gesamte Rahmen im Gehäuse mittels Lagern 11' schwenkbar gelagert. An einem dieser Lager sind Antriebsmittel 18 dargestellt, die von einem Tages-Primärantrieb 19 von einer Uhr 20 und von einem geeigneten Programm 21 gesteuert derart betätigt werden, dass die Sonne zu allen ausnützbaren Tagesstunden sich etwa in einer Ebene befindet, die durch die Achse der Lager 11 geht und etwa senkrecht auf der Ebene des Rahmens steht.

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Die Abstandshalter 17 haben einen regelmässigen Abstand voneinander und bilden einen quadratischen Rahmen zur Aufnahme einer unabhängigen, zweiachsigen Kardanaufhängung für jede Kollektoreinheit 10. In der in Fig. 4 dargestellten Gruppe sind drei solche Kollektoreinheiten P,0 und R dargestellt. Bei jeder Kollektoreinheit 10 ist ein erster quadratischer Rahmen 22 dargestellt, der mittels Wellenstücken 23 um eine erste Kardanachse A versclwenkbar an den Abstandshaltern 17 gelagert und zwischen diesen angeordnet ist. Die erste Kardanachse A verläuft längs oder im wesentlichen längs der Achse der Lager 11'. Ein zweiter quadratischer Rahmen 24 ist mittels senkrecht zu den Wellenstücken 23 angeordneten Wellenstücken 25 in ähnlicher Weise am Rahmen 22 schwenkbar gelagert und innerhalb desselben angeordnet. Der Kollektor ist an dem inneren Rahmen 24 befestigt, beispielsweise mittels Bolzen. Ein äusserer Korrektur-Kardanantrieb 26 erlaubt eine korrigierende Verschiebung jeder einzelnen Kollektoreinheit 10 um die Achse A entsprechend der der jeweiligen Tageszeit entsprechenden günstigen Komponente des Sonnenstandes. Ein innerer Korrektur-Kardanantrieb 27 ermöglicht in gleicher Weise eine korrigierende Verschiebung jeder einzelnen Kollektoreinheit 10 um die senkrecht zur Achse A stehende Achse B entsprechend der jahreszeitlichen Komponente des jeweiligen Sonnenstandes.

Jede Kollektoreinheit 10 umfasst ein relativ grosses, paraboloidförmig oder kugelförmig gewölbtes Primär-Reflektorelement 30 von der Bauart eines optischen Cassegrain-Systems. Ein konvexes Sekundär-Reflektorelement 31 des optischen Systems ist justierbar an einer Platte 32 bofestigbar, die ihrerseits von im Abstand zueinander angeordneten Beinen 3 3 gehalten wird. Die Beine

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sind mit dem Primär-Reflektorolement 30 verbunden, wobei sie nur eine schmale Fläche desselben abdecken. Obwohl zur Halterung der Platte ein Dreifuss odor eine zweibeinige Abstützung ausreichen würde, wird im vorliegenden Ausführungsbeisniel die Platte 32 durch vier Beine 33 gehalten, da man auf diese Weise jedes Bein 33 an der Stelle mit dem Primär-Reflektorelement 30 verbinden kann, an der ein Haltebolzen das Primär-Reflektorelement 30 jeweils mit einem Schenkel des Rahmens 24 verbindet. Man kann also zur Befestigung des Beines 33 und des Primär-Roflektorelements 30 denselben Haltcbolzen verwenden. Durch diese Art der Befestigung v/erden beide Reflektorelemente 30 und 31 jeder Reflektoreinheit 10 direkt mit den entsprechenden Teilen desselben Rahmens 2 4 verbunden. Durch eine kleine Zentralöffnung 34 im Primär-Reflektorelement 30 tritt konvergierende Strahlung auf eine unterhalb der Rückseite des Reflektorelementes 30 am Rahmen 24 befestigte Struktur 36. Die Sonnenzelle 35 selbst kann je nach Anforderung unterschiedliche Bauart aufv.'cisen; beispielsweise kann die Sonnenzelle eine Anordnung von Elementen mit Vertikalübergang aufweisen, denen Zylinderlinsen zugeordnet sind, wie dies in einer Parallelanmeldung gleicher

Priorität (Aktenzeichen ) beschrieben ist. Es genügt,

dass solche Sonnenzellen eine elektrische Ausgangsleistung erzeugen und, falls dies gewünscht v/ird, über geeignete elektrische und hydraulische Leitungssysteme auch ein aufgeheiztes Medium abgeben können.

Un eine Vorstellung von der Grosse einas Sonnenkollektors mit zwölf Kollektoreinheiten zu geben, wie er bisher beschrieben worden ist, werden die Masse des Versuchsmodell im folgenden angegeben. Ein Rahmen zur Aufnahme einer Gruppe ist etwa 3,05 m

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lang und 1,02 m breit. Ein solcher Rahmen kann drei Reflektorelsmente 30 mit einem Durchmesser von 1,02 m aufnehmen. Ein Gehäuse mit einer Breite von 6,1 m, einer Länge von 3,35 m und einer Höhe von 1,15 m bietet genügend Innenraum, so dass alle beweglichen Teile genügend Platz für eine Drehung von 90 gegenüber der Horizontalen haben. Das Gehäuse muss daher insgesamt so hoch sein, dass es die Breite des die Gruppe haltenden Rahmens aufnehmen kann.

In Fig. 4 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Anordnung gemäss der Erfindung zur Orientierung der Kollektoreinheiten dargestellt, bei dem ein einziger Mikroprozessor 40, der mit einem Maximierungs-Algorithmus programmiert ist, die korrigierenden Verschiebungen um beide Koordinaten, also um die Achse Λ bzw. die Achse B steuert. Dabei werden sowohl die Ausgangssignale der Sonnenzelle als auch die den Antrieben 26 und 27 zugeführten .Stauersignale für alle Kollektoreinheiten in geeigneten, aufeinnndorfolgenden Zeitintervallen zeitlich zerlegt, d.h. es wird ein Zeitmultiplexsystem angewandt. Ein Mrjssmultiplexcr 41 empfängt über Leitungen 42 (p,q und r)

elektrische Ausgangssignale, d.h.

der Ausgangsleistung der Sonnanzellen entsprechende Signale, in zeitlicher Aufeinanderfolge und liefert ein diesen entsprechendes Digitalsignal über eine Leitung 43 an den Mikroprozessor 40. Dar Mikroprozessor steuert über eine Leitung 44 die Abgaba dieser Signale synchron. Mit derselben Synchronsteuerung und unter Vorv/andung des oben erwähnten Maximierungsftlgorithmus liefert der Mikroprozessor 40 über Laitungen 45 und 4ß und über getrennte Multiplexer 47 bzw. 48 getrennte Ausgangssignale für die Stelleinrichtungen 40 und 50, die die

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senkrecht zueinander um die Achsen A und B erfolgenden Korrakturvsrschiebungcn erzeugen. Dia Stelleinrichtung 49 führt über die drei ausgezogen dargestellten Leitungen 51 (p, q und r) in zeitlichen Intervallen geeignete Korrektursignale an die Antriebe 2G jeder dar Kollektoreinheiten 10, die durch die Bezugszeichan P, Q und R gekennzeichnet sind. In gleicher V7aise liefert die Stelleinrichtung 50 in zeitlichen Intervallen über die drei ausgezogen dargestellten Ausgangsleitungen 52 (p, q und r) Korrektursignale an die jeweiligen Antriebe 27 jeder der Kollektoreinheiten 10.

Der Mikroprozessor 40 und die Multiplexer 41,47 und 48 können Digital-Fastkörporelemente sein, die ihre individuellen, unabhängigen Operationen in so kurzer Zeit ausführen, dass sie eine grosse Anzahl von Ausgangssignalen der einzelnen Sonnenzellen verarbeiten können, um dadurch jedem der Antriebe 26 und 27 eine geeignete Komponente eines Korrektursteuerungssignales zuführen zu können. Die Verarbeitungsintervalle der Multiplexer sind extrem kurz verglichen mit den Intervallen, in denen die Messvrorte der einzelnen Kollektoreinheiten aufgenommen werden müssen, um für jede der Einheiten P, Q und R unabhängig voneinander eine präzise Sonnennachsteuerung zu gewährleisten. Diese Zeitintervalle sind tatsächlich so kurz, dass die beschriebenen Vorrichtungen (Mikroprozessor 40, Multiplexer 41,47,48, Stelleinrichtungen 49 und 50) neben den Kollektoreinheiten P,0 und R in gleicher Weise nicht nur die Kollektoreinhciten sämtlicher Gruppen 15 des gesamten in Fig. 1 dargestellten Systems, sondern auch noch gleiche Einheiten 10 einer oder mehrerer solcher in Fig. 1 dargestellter Einheiten versorgen kann. In Fig. 4 ist diese zusätzliche Möglichkeit,

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auch andere Einheiten im richtigen Rhythmus in einem timesharing- oder in einem Zeitmultiplexbetrieb zu versorgen, dadurch angedeutet, dass dem Multiplexer 41 weitere Gruppen-Eingangsleitungen 53,54 und 55, der Stelleinrichtung 49 weitere Gruppenausgangsleitungen 53', 54' und 55' zur übertragung von Ausgangssignalen zur Drehung um die Α-Achse und der Stelleinrichtung 50 weitere Gruppen-Ausgangsleitungen 53", 54" und 55" zur übertragung von Ausgangssignalen für Drehungen um die B-Achse zugeordnet sind.

Eine bevorzugte Technik zur bezüglich der Sonneneinstrahlung wichtigen Installierung einer Kollektoranordnung gemäss Fig. 1 auf einem geneigten Dach 13 ist in der schematischen Darstellung der Fig. 5 gezeigt. Man sucht ein geneigtes Dach aus, das von der Sonne bestrahlt wird und stellt justierbare Beine 12' entsprechend der Neigung des Daches so ein, dass die Ebene des Gehäuses 11 im wesentlichen senkrecht auf dem Sonncnvektor 6O steht, der der Stellung der Sonne zur Mittagszeit bei Tag und Nachtgleiche entspricht. Diese feste Einstellung des Gehäuses stellt einen vernünftigen Kompromiss zwischen den der Mittagssonnenstellung entsprechenden Vektoren 61 und 62 dar, die den Winter- bzw. den Sommerextremstellungen entsprechen. Das Tagesprogramm 21 ergibt eine im allgemeinen winkelgerechte Nachsteuerung jedes eine Gruppe 15 aufnehmanden Rahmens, wobei dieser um die Achse A (die Polachse) um etwa 15 pro Stunde verschv/enkt wird. Die Antriebsmittel 18 besorgen diese Verschwenkung während der Tagesstunden, eine Uhr bewirkt eine Rückstellung des Rahmens in die Richtung des programmierten Sonnenaufganges. Dies kann beispielsweise durch eine Uhr geschehen, die ein entsprechendes Rückstellsignal um 12 Uhr

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Mitternacht abgibt. Während aller Tagesstunden sind die Neigungskorrekturen um die Α-Achse und die B-Achse relativ klein und werden mit ausreichend grosser Frequenz durchgeführt, so dass während des gesamten Zeitraumes, innerhalb dessen das Sonnenlicht ausnützbar ist, ein optimales Sonnenzellensignal, maximiert oder auf einen Festwert eingestellt, gewährleistet ist. Vorrichtungen zum Verbrauch oder zur Speicherung der erzeugten Wärme oder der erzeugten elektrischen Energie sind in der beschriebenen Darstellung nicht gezeigt, da dies zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung nicht notwendig ist.

Die Kardanaufhängung des bevorzugten Ausführungsbeispiels war innerhalb eines kastenförmigen Gehäuses 11 mit einem durchsichtigen Deckel angeordnet. Andere Anordnungen sind möglich, wenn es entsprechend dem Verwendungszweck gewünscht wird oder vorzuziehen ist. Das Gehäuse 11 wird praktisch nur dazu gebraucht, eine Gruppe 15 an ihren Hauntlagern 11' zu halten, so dass für diesen Zweck auch einfache Haltearme ausreichen, falls dies gewünscht wird und praktizierbar ist. Solche Haltearme 11a und 11b für einen vereinfachten Gruppenrahmen sind in Fig. 6 dargestellt. Mindestens einer dieser Arme ist in seiner Höhe verstellbar, wie es anhand des Stützfusses 12' in Fig. 5 beschrieben ist. Weiterhin ist es günstig, bei 11 ' selbstausrichtende Lager zu verwenden, um die Justierung zu erleichtern. Die gesamte in Fig. 6 dargestellte Rahmenstruktur kann in einem auf dem Dach aufruhenden durchsichtigen Gehäuse angeordnet sein, sie kann sich jedoch auch innerhalb des Gebäudes unterhalb eines durchsichtigen Dachbereiches befinden.

Es ist äusserst vorteilhaft, dass die beschriebene Elektronik

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einschliesslich des Mikroprozessors 4O jede Kollektoreinheit 1O in ausserordantlich schneller Folga überprüfen kann, wobei jede dieser Überprüfungen jeweils nur Millisekunden dauert, da bei dieser Überprüfung keinerlei mechanische Bewegungen notwendig sind. Ebenso kurze Zeiten sind zur Erzeugung dar

nötig Start- oder Stopp-Signale für die Kardanantriebe/»und zv/ar für die Kardanantrieba in beiden Richtungen. Die tatsächlich für eine gegebenenfalls notwendige Korrekturverschiebung nötige Zeit kann dagegen einige Sekunden betragen. Dieser einige Sekunden dauernde Vorgang beginnt mit dar ersten Bestimmung einer möglichen Abweichung und endet dann, wenn der Mikroprozessor 40 nach wiederholten und zeitlich aufeinanderfolgenden (gemultiplexten) Messungen feststellt, dass der Maximalwert durch den motorischen Antrieb 26 und 27 wieder eingestellt worden ist. Sobald dies der Fall ist, wird der Antrieb durch den Mikroprozessor wieder abgeschaltet. In einem solchen Zeitintervall von einigen Sekunden liegen mehrere Zyklen, innerhalb welcher dor Motor einschaltet, ausschaltet, wieder zurückläuft, und wieder ausschaltet, so, dass dabai das über Leitung 42p abgegebene Maximalsignal durchlaufen oder überschritten wird. Praktisch sind mechanische Träghaitskräfte und nicht der Mikroprozessor für die Zeit verantwortlich, die man zu einer bestimmten Korrekturverschiebung benötigt. Durch die Verwendung eines Mikroprozessors in Verbindung mit einer synchronisierten und gemultiplexten Masswertbestimmung sowie einer synchronisierten und gemultiplexten Steuersignalabgabe an die Stellmotoren können eine grosse Zahl derartiger Stellmotoren praktisch gleichzeitig durch denselben im Zeitmultiplexbetrieb arbeitenden Mikroprozessor betätigt werden.

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Im praktischen Betrieb liegen die Zeitpunkte,zu denen Korrekturverschiebungen notwendig werden, im Vergleich zur Dauer der KorrekturverSchiebungen weit auseinander. Die Antriebsmotoren sind daher nur zu einem sehr kleinen Teil der gesamten Tageslichtstunden in Betrieb, obwohl zur Bestimmung des Maximalwertes bei 35 und zur Einstellung der entsprechenden Lage der Kollektoreinheit eine das Maximum durchlaufende Oszillation nötig ist. Die Arbeitsgeschwindigkeit des Mikroprozessors ist so gross, dass v/esentlich mehr Messwertgeber und entsprechende Stellmotoren bedient werden können, als das bei der dargestellten Anordnung mit zwölf Einheiten der Fall ist. Beispielsweise kann ein einziger Mikroprozessor sämtliche Gruppen aller Kollektoranordnung mehrerer benachbarter Häuser steuern, falls dies gewünscht wird.

Als weniger elegante Alternative zur Bestimmung der Fehlorientierung einer bestimmten Kollektoreinheit und zur individuellen Korrektur dieser Fehlorientierung ist in Fig. 7 die Verwendung vier gleicher lichtempfindlicher Elemente 71,72,73 und 74 dargestellt, die an Haltearmen 36 (Fig. 3) im gleichen Winkelabstand rundum die Bonnenzelle 35 angeordnet sind. Die Elemente 71,72,73 und 74 sind so angeordnet, dass sie gerade ausserhalb des Kreises 75 liegen, der das mittels der Reflektorelemente 3O fokussierte Bild der Sonne darstellt, wenn die optische Achse C in Richtung auf die Sonne orientiert ist. Bei einer Fehlorientierung, wie sie durch die gestrichelte Linie 76 dargestellt ist, wird eines der lichtempfindlichen Elemente, beispielsweise das Element 74, von der Sonnenstrahlung beaufschlagt, so dass ihr Ausgangssignal einen bestimmten Schwellwert überschreitet. Dies wird in der Schwallwertschaltung 77

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festgestellt, die gegebenenfalls ein geeignetes, verstärktes Steuersignal (beispielsweise ein Einschaltsteuersignal) erzeugt, mit dem man den Motor 26 der Kardanaufhängung derart antreibt, dass das Bild der Sonne auf dem zentrierten Kreis 75 zurückgeführt wird. Gleichfalls kann der Auffall von Sonnenstrahlung auf eine zweite lichtempfindliche Zelle 71 ein Signal erzeugt haben, das je nach der Stärke der Bestrahlung einen bestimmten Schwellwert überschreitet, was in einer Schwellwertschaltung 78 festgestellt wird. Sobald das Ausgangssignal der lichtempfindlichen Zelle grosser wird als der Schwellwert, dann gibt die Schwellwertschaltung 78 ein Stellsignal an den Kardanantrieb 27, so dass das Bild der Sonne in gleicher Heise wieder auf den zentrischen Kreis 75 zurückgeführt wird. Bei einer schrägen Verschiebung des Sonnenbildes werden die Antriebe 26 und 27 gemäss der entsprechenden Komponenten betätigt. Gleiche, aber in entgegengesetzter Richtung wirkende Stellsignale erhält man von den beiden anderen lichtempfindlichen Zellen, sobald ausreichend Sonnenstrahlung auf diese auffällt, so dass eine entsprechende Fehlorientierung korrigiert wird. Das in Fig. 7 dargestellte System verwendet also im Unterschied zu dem in Fig. 4 dargestellten System mehrere Detektoren 71,72,73 und 74 und stellt im übrigen insofern gerade das Gegenteil des Systems der Fig. 4 dar, als bei dem letzteren der maximale Lichteinfall als Kriterium für die Ausrichtung der optischen Achse verwendet wird, während bei dem System der Fig. 7 als Kriterium für die Ausrichtung der optischen Achse das Fehlen einer Bestrahlung der lichtempfindlichen Elemente oder zumindest der minimale Strahlungseinfall verwendet werden.

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Das beschriebene Nachführsystem kann auch für andere Zwecke verwendet warden, es ist jedoch besonders geeignet für die Ausrichtung der individuellen Kollektoreinheiten in einem eine Vielzahl von Einzelelementen umfassenden Sonnenkollektorsystem. Alle Korrekturbewegungen sind naturgemäss klein, selbst wenn die im Mehrfachbetrieb aufgenommenen Messwerte in Abständen von nur einer halben Stunde aufgenommen werden. Die zur Ausführung der Korrekturverschiebungen verwendeten Motoren, Getriebe etc. müssen nicht besonders präzise arbeiten und die länglichen, eine Gruppe von Kollektoren aufnehmenden Rahmen müssen nicht unbedingt.biegesteif sein, da das beschriebene Nachführsystem jede Unregelmässigkeit der Antriebselemente innerhalb bestimmter Grenzen automatisch ausgleicht. Aus dem gleichen Grunde müssen auch die Kardanlager, die Wellen und die bewegliche Aufhängung jedes Elements in der Anordnung nicht besonders genau sein. Die Reibung bei einer solchen Aufhängung kann nützlich sein, da sie eine unerwünschte Bewegung verhindert, beispielsweise während der langen Zeiträume zwischen KorrekturverSchiebungen. Man kann diese Reibung bewusst vergrössern, beispielsweise mit Hilfe einer Kupplungs-Bremsen-Kombination, die den Antrieben für jede Komponente zugeordnet warden, um die Position der Kollektoreinheiten solange festzuhalten, bis diese absichtlich verändert wird.

Die Arbeitsgeschwindigkeit der bekannten elektronischen Schaltungen ist gross genug um viele individuelle Kollektoreinheiten 10 nacheinander zu justieren, ohne dass sich dabei bei einer der Kollektoreinheiten die Abweichungen zu einer erheblichen Fehlstellung addieren. Der Mehrfach- oder Multiplexbetrieb hat den Vorteil, dass der grösste Teil der Messelektronik

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der Steuerlogik und der Stcllelektronik nicht für jede Kollektoreinheit getrennt vorgesehen warden muss, sondern dass jeweils eines dieser Elsmente zeitlich nacheinander die entsprechenden Funktionen für alle Kollektoreinheiten ausführt. Man kann im übrigen auch den Antrieb so ausbilden, dass nur eine kleine Anzahl von Antriebsbewcgungsn (evtl. sogar nur eine einzige) nötig ist, um all die benötigten Korrekturbewegungen zu erreichen. Man kann dazu Kupplungen oder magnetbatätigta Spulen verwenden, die jode gewünschte Bewegung von einem gemeinsamen Antrieb abnehmen, beispielsweise von einem Treibriemen, von einem Draht, von einem Hebel, einer Schubstange oder von einem anderen sich bewegenden Teil. V7enn man eine geeignete Steuorlogik und elektrische, evtl. digital gesteuerte Schrittmotoren verwendet, dann fällt die längere Ansprechdauer solcher Kupplungen innerhalb gewisser Grenzen nicht ins Gewicht.

Die Erfindung ist vorstehend ausführlich anhand verschiedener Ausführungsbaispiele beschrieben worden. Dadurch soll jedoch der Schutzbereich dar Erfindung nicht beschränkt werden,diverse Abwandlungen der Erfindung sind möglich, ohne dabei den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.

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Claims

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PATENTANWÄLTE IN STUTTGART
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Massachusetts Institute of Technology, 77 Massachusetts Avenue Cambridge, Mass. USA
Patentansprüche
Sonnenstrahlungskollektor mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Kollektoreinheiten, die um zwei senkrecht aufeinanderstehende Achsen verschwenkbar sind, gekennzeichnet durch
eine eigene Schwenklagerung für jede Kollektoreinheit (10), durch die jede Kollektoreinheit (10) zumindest um die eine der beiden Achsen (A,B) unabhängig von den anderen Kollektoreinheiten (10) verschwenkbar gelagert ist,
einen eigenen Stellantrieb (26,27) für jede Schwenkachse (A,B) jeder Schwenklagerung,
mindestens eine jeder Kollektoreinheit (10) zugeordnete, fest mit ihr verbundene und bezüglich der optischen Achse der Kollektoreinheit (10) ausgerichtete, strahlungsempfindliche Zelle (35;71,72,73,74),
einen Mikroprozessor (40) zur Auswertung der Ausgangssignale jeder dieser Zellen (35;71,72,73,74) sowie zur
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Erzeugung eines Stellsignals für den einer bestimmten Zelle (35;71,72,73,74) und damit einer bestimmten Kollektoreinheit (10) zugeordneten Antrieb (26,27), durch welches die Kollektoreinheit (10) entsprechend dem Ausgangssignal ihrer Zelle (35;71,72,73,74) um die Achse oder die Achsen (B bzw. A) der Schwenklagerung in eine optimale Ausrichtung zur Sonne verschwenkbar ist,

eine erste Multiplexeinrichtung (41) zur aufeinanderfolgenden periodischen Verbindung der Ausgänge (42b,42g, 42r) der den Kollektoreinheiten (10) zugeordneten strahlungsempfindlichen Zellen (35;71,72,73,74) mit dem Mikroprozessor (40) und

durch eine zweite Multiplexeinrichtung (47,48) zur aufeinanderfolgenden, periodischen Verbindung der Ausgänge (45,46) des Mikroprozessors (4O) mit den Stellantrieben (27 bzw. 26) der Kollektoreinheiten (1O), deren Zellenausgänge (42b,42q,42r) durch die erste Multiplexeinrichtung (41) mit dem Mikroprozessor (40) verbunden sind.

2. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kollektoreinheiten (10) zu Gruppen (15) zusammengefasst sind und jede Gruppe (15) insgesamt um die andere Achse (A) verschwenkbar ist.

3. Kollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verschwenkung der Gruppe (15) um die andere Achse (A) ein tageweise programmierter Stellantrieb (18) vorgesehen ist.

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4. Kollektor nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kollektoreinheit (10) eine eigene Schwenklagerung aufweist, durch die sie unabhängig von den anderen Kollektoreinheiten (10) um die eine und die andere der senkrecht aufeinanderstehenden Achsen (B bzw. A) verschwenkbar gelagert ist, und dass jeder dieser Achsen (B,A) ein eigener, von dem Mikroprozessor (40) abhängig vom Ausgangssignal der entsprechenden Zelle (35;71,72,73,74) gesteuerter Stellantrieb (27 bzw. 26) zugeordnet ist.

5. Kollektor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine feste Halterung (11) für den Kollektor vorgesehen ist.

6. Kollektor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektoreinheiten (10) jeder Gruppe (15) in einem gemeinsamen Schwenkrahmen (16,17) im Abstand voneinander um parallele Achsen (B) verschwenkbar gelagert sind.

7. Kollektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gruppenschwenkrahmen (16,17) um die andere Achse

(A) verschwenkbar an der festen Halterung (11) gelagert ist.

8. Kollektor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenklagerung der einzelnen Kollektoreinheiten (10) jeweils einen um die eine Achse (B) verschwenkbar gelagerten ersten Rahmen

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(24) umfasst, an dem die Kollektoreinheit (10) befestigt ist.

9. Kollektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rahmen (24) an einem zweiten Rahmen (22) gelagert ist, der seinerseits um die andere Achse (A) verschwenkbar gelagert ist.

10. Kollektor nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste bzw. der zweite Rahmen (24 bzw. 22) an dem Gruppenschwenkrahmen (16,17) gelagert sind.

11. Kollektor nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten festen Halterung (11) mehrere Gruppenschwenkrahmen (16,17) gelagert sind.

12. Kollektor nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gruppenschwenkrahmen (16,17) in Richtung seiner Schwenkachse länglich ausgebildet ist und dass die Schwenklagerungen der einzelnen Kollektoreinheiten (10) in Richtung der Gruppenschwenkrahmenachse im Abstand voneinander am Gruppenschwenkrahmen (16,17) derart gelagert sind, dass die andere Achse (A) der Schwenklagerung im wesentlichen mit der Gruppenrahmenschwenkachse fluchtet.

13. Kollektor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kollektoreinheit (10) ein Cassegrain-System mit einem Primär- und einem Sekun-

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därreflektor (30 bzw. 31) und mindestens einer diesen zugeordneten strahlungsempfindlichen Zelle (35;71,72,73 74) ist, wobei die Reflektoren (30,31) und die Zellen (35;71,72,73,74) in fester Relation zueinander gehalten sind.

14. Kollektor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsempfindliche Zelle (35) eine photoelektrische Zelle ist und dass der Mikroprozessor (40) auf deren elektrischen Ausgangssignale anspricht.

15. Kollektor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass jede dieser Zellen (35) eine Vielschichtanordnung von Zellelementen mit senkrechtem übergang aufweist, wobei die übergänge eben sind und parallel im Abstand zueinander verlaufend an einer Endfläche der Vielschichtanordnung enden, dass diese Endfläche senkrecht zu der optischen Achse der Kollektoreinheit (10) im Bereich von deren Brennebene angeordnet ist und dass an der Endfläche eine der Zahl der Übergangsflächen entsprechende Anzahl von Zylinderlinsen parallel zueinander mit einem gegenseitigen Abstand angeordnet ist, der dem Abstand der Übergangsflächen entspricht.

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