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Hochbau-System in Stützen/Schalen-Bauweise nach einem neuartigen Baukastenprinzip
mit voll integrierter Anlage zur Solarenergieverwertung zwecks Erzielung einer vollkommenen
Heizungs-, Beleuchtungs- und Kraftstrom-Antarkie bei minimaler Erhöbung der Gesamtbaukosten
und maximaler @eduzierung des Amortisationszeitraumes durch Einsatz neuester Technologien.
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Zweiter Zusatz zur Hauptanmeldung vom 21.2.77 "Hi/Di - Eu/Li 03" Aktenzeichen
P 27 11 261.4 In der Hauptanmeldung vom 21.2.77 und im ersten Zusatz vom 1.4.77
wird dargestellt, daß als besonders vorteilhafte Lösung für die baukastenartige
Vorfertigung und Montage einer "Solarhalle" für industrielle, gewerbliche und kommunale
Zwecke ein Stützen/Schalen-System mit guadratischem Grundraster, achteckigen Pyramidentragschalen
und quadratischen Einhängeplatten -el.ten kann, weil damit alle in der Baupraxis
vorkommenden Anforderungen hinsichtlich Grundrißgestaltung und Raumnutzung in weitestgehendem
Maße erfüllt werden. werner schafft man sich auf diese Weise eine Möglichkeit, zu
jedem beliebigen späteren Zeitpunkt die Einhiingeplatte " mit solarthermischer Umsetzung
gegen solche mit photovoltaischer Direktstromgewinnung auszutauschen. Da die @uadratischen
Einhängeplatten eine Grundrißfläche von mehr als sechs Quadratmeter besitzen, eignen
sie sich als Basis für große Lichtkuppeln, Abluftschächte, Rohrdurchführungen u.dgl.
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Im Bereich des Wohnungsbaus liegen die Prioritäten etwas anders, der
höchste Rang kommt zweifellos der architektonischen Gestaltung zu. Dies bezieht
sich sowohl auf das äußere Erscheinungsbild als auch auf die Raumform und -zuordnung.
Es steht außer Zweifel, daß ein quadratischer Grundrißraster den Planer und den
Innenarchitekten zwingen würde, konventionelle Formen zu wählen. Um diese bei modern
gesinnten Bauherren auf geringe
Gegenliebe stoßende Strenge aufzulockern,
wird erfindungsgemäß @orreschlagen, für Wohnbauten, Aindergarten, Pavillons un@
@@@liche @hje'te Tragschalen mit Zwölfeckgrundriß zu verwenden. In diesen Falle
wird anstelle des Quadratrasters ein @reischraster erforderlich, der ästhetisch
gunstigere Voraussetzungen bietet. Die Statik des Systems wird keineswegs nachteilig
beeinflußt, es ergibt sich sogar eine etwas vorteilhaftere Sitaation. Beschränkt
man die Neigung des Pyramidenmantels auf einen Winkel von maximal 30, erhält man
die Möglichkeit, die Umfassungswände direkt vor die Tragstützen zu setzen und den
@alben Pyramidendurchmesser als Vordach-Auskragung einzuplanen. Bevorzugt man jedoch
eine Außenwandführung entsprechend der Pyramidenrand@ontur, dann hat man immerhin
das Plus des Kleineren @ichtungswechselwinkels, namlich 30° statt 45°.
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Selbstverständlich ist auch eine Kombination beider Methoden denkbar,
also eine nochmalige Erweiterung der Variationsmöglichkeiten.
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Im übrigen entspricht die statische, bauphysikalische und solartechnische
Konzeption dem Inhalt der bereits betätigten Patentanmeldungen; es kann allerdings
in Erwägung gezogen werden, als Tragschalenwerkstoff faserverstärkte Kunstharzplatten
zu verwenden, weil die aufzunehmenden Druck- und Biegespannungen aufgrund des im
Wohnungsbaufalle mäßigen Schalendurchmessers relativ niedrig sind. Alternativ dazu
ist der Einsatz hochwertiger Multiplexplatten aus wetterfest verleimten Furnierholzlagen
durchaus empfehlenswert.
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Die Stützen/Schalen-Bauweise hat erfindungsgemäß die Aufgabe, die
@erstellungskosten voll solarisierbarer Neubauten zu minimieren und außerdem noch
eine ideale Voraussetzung für etwaige spätere Raumveränderungen zu schaffen, weil
auf Trasrwände eänzlich verzichtet wird. Die Vorteile eines konsequenten Baukastensystems
von hoher Maßenauigkeit fallen dabei ganz erheblich ins Gewicht.
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Wird jedoch die Aufgabe gestellt, Altbauten zu sanieren und gleichzeitig
zu solarisieren, erheben sich zwangsläufig andersartige Überlegungen. handelt es
sich dabei um Bauwerke mit großflächigen Horizontaldächern und ausreichender Nutzlastreserve,
besteht
grundsätzlich die Möglichkeit, die pyramidenförmigen Tragschalen direkt auf rlie
Dachfläche zii setzen und den Einbau der Spiegelschalen gemäß der bereits behandelten
Methode vorzunehmen. Auf diese Weise erhält man eine neue wasserführende Ebene oberhalb
des alten @aches, was bei einer schadhaften Altbau@bdichtung von großem vorteil
sein kann.
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Weist bingegen das zu sanierende oder zu solarisierende Gebäude einen
ungünstigen Grundriß oder ein geneigtes @ach auf, ist dieses Rezent nicht mehr sinnvoll.
Die in solchen Fällen zu verwendende Lösung bietet erfindungsgemäß das Spiegelrostsystem,
das eine ganz besonders wirtsc@aftliche Methode zur Fokussierung der auftrefrenden
Solarstrahlung auf einen @@nstieg positionierten Zentralabsorber darstellt: Bildet
man aus dünnwandigen Stahlrohren oder aus zweckentsprechend dimensionierten kunststoffrohren
mit Hilfe Kugel- oder zylinderähnlicher Knoten-Elemente, die vorzugsweise aus Kunstharz
bestehen sollten, einen Stabrost mit suadratischen, recateckigen oder dreieckigen
Feldern, erhalt man eine zwar sehr leichte, jedoch auch ziemlich steife Basis zur
Fixierung kleiner bis mittelgroßer Konkavspiegel. Da die Spiegel zweiachsig nachführbar
sein müssen, benötigen sie ein Kardan- oder Kugelgelenk, das wiederum eine gewisse
Bodenfreiheit gewähren muß, Verwendet man einen Teil der Knoten-Elemente des Stabrostes
als Halterung für relativ kurze ihre, die senkrecht ziir itostebene eingeschraubt
werden können, erzielt man mit einfachen Mitteln eine solide Problemlösung, weil
die karzen 1tohre an ihrem oberen Ende je einen kugelförmigen Kopf tragen können,
der als ortsfeste Gelenkhälfte dient. bas Gegenstück, ziemlich die Kugelschale,
ist entweder Teil der Spiegelschale selbst oder Zwischenglied zum nachträglichen
Aufsetzen der Spiefrelschale. Diese wird vorteilhaft aus dünnem Duroplast mit Faserarmierung
gegossen, wobei auf eine möglichst glatte Oberseite Wert zu legen ist. Auf der Unterseite
können sich Versteifungsrippen befinden. Die Verspiegelung kann auf verschiedene
Weise realisiert werden: a) Aufkleben von gewebegebundenen Glasspiegelmosaikplatten
b) Aufkleben von thermisch vorgeformten Kunststoffspiegelplatten eeringer Dicke,
beispielsweise d = 1,0 mm
c) Metallisieren der Schalenoherseite
im @ochvahuumkessel d) Ubersnannen der Oberseite mit extrem dünner @uuatstoffspie@elfolie,
@@@ie@ten des @an@es und Absaugen der @istanzluit durch ein Zentralventil Das Prizip
d) erfordert den geringsten Werkstoff-Aufwand, ist aber von der Luftdichti keit
(ier rolle und der @andsicherung a@hängig. Eine Ver@etzung der Spannielie Kann die
@nter@ruckhaftung sofort zunichte machen. Ein Austausch ließe sich allerdings rasch
und preisg@nstig durchführen, die Vorratshaltung wäre weder schwierig noch au@wendig.
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Das Prinzip a) kann insoweit ab@ewandelt werden, daß man in passender
Größe vorgefertigte Mosaikmatten auf den unteren Formkern legt und anschließend
mit dem Schalenwerkstoff übergießt, dessen Dicke und Profilierung durch die obere
Gegenform hestimmt wird.
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Ein solches Verfahren ist grundsätzlich auch beim Prinzip b) realisierbar.
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Als Spiegelschalengrundriß kommt vor allem die Kreisform infrage;
wählt man die Sechseckform, erreicht man eine noch höhere Pakkungsdichte, die allerdings
nur theoretische Bedeutung hat. Der wirkliche Vorteil liest in der Möglichkeit,
die Zugänglichkeit der einzelnen Spiegel zu verbessern, indem man eine Randdistanz
von ca. 200 mm eluplant. Die Optimierung der Spiegelfeldgeometrie kann nur unter
Berücksichtigung der jeweiligen Strahleneinfall- und ausfallrichtungen durchgeführt
werden. Aus Gründen der Fertigungsrationalisierung sollte man sich auf wenige Kompromißlösungen
beschränken. Mit wachsendem Spiegelschalendurchmesser verringert sich der Distanzflächenanteil
und erhöht sich der Flächennutzungsgrad des Reflektorsystems. Aus Zweckmäßigkeitsgründen
wird man jedoch den l)urchmesser auf etwa 1500 bis 2000 mm festlegen, weil bei größeren
Formaten die Windkräfte nur mit erheblichen Schwierigkeiten gebändigt werden könnten.
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Auch die Reinigung der Spiegelfläche würde kostenaufwendiger.
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Das relativ niedrige Gewicht der einzelnen Spiefrelschalen -es beträgt
ungefähr 15 bis 25 kg - und die Mölichkeit, eine Schwerpunktslagerung anzuwenden,
führt zu kleinen Nachführungskräften. Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen,
ein Steuerungssystem zu wählen, dessen Energiebedarf direkt durch die
Sonne
gedeckt wird. Da die zur Zeit auf dem Markt befindlichen Solarzellen auch bei Einsatz
von Strahlungsverdichtern noch verhältnismäßig teuere Energiequellen darstellen,
liegt die grössere wirtschaftlichkeit im solarthermischen Bereich. Prinzipiell gibt
es zwei Lösunmsweme, nämlich die Solarpneumatik und das Bimetallverfahren: Koppelt
man beispielsweise eine kleine Thermodüse - siehe erste Zusatzanmeldung vom 1.4.77
- mit einem kugeligen oder zylindrischen Luftspeicher, erreicht man bei Sonneneinstrahlung
eine adiabatische Druckerhöhung, die eine punktion der Strahlungs intensität und
der Strahlungszeit darstellt Ordnet mnn mehrere Thermodüsen so an, daß ihre optischen
Hauptachsen auf einem gemeinsamen Kegelmantel leeren, und beschickt man mit jeder
diese einen separaten Speichersektor, kann bei ester Systemsymmetrie eine Luftdrucksymlnetrie
nur dann auftreten, wenn die Sonne in der Achse des gedachten Kegels steht. Verläßt
sie diese Position, steigt der Druck in den Speichersektoren, die in wichtung der
Sonnenbahn placiert sind, auf einen Wert an, der deutlich über dem Druck der entgegengesetzten
Sektoren liegt. Nit itilfe eines den Differenzdruck ausnützenden Drehmomenterzeugers
kann man jetzt den Spiegel so weit nachführen, bis die Durcksymmetrie wieder erreicht
ist. Je nach Dimensionierung der Solarpneumatik und Reibung des Kugelgelenks wird
dieser Vorne mehr oder weniger kontinuierlich vonstatten gehen.
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Die beschriebene Nachführungsmethode, bei der anstelle e von Thermodüsen
auch Glas- oder hunststofflinsen rnit Zylinderblende verwendet werden können, eignet
sich in erster Linie für die direkte Ausrichtung der optischen Achse eines Konkavspiegels
auf die jeweilige Sonnenposition. Die Fokussierung des einfallenden Parallelstrahlenbündels
erfolgt also auf der Verbindungsgeraden Sonnenzentrum/Spieeelachse. Der Absorber.
müßte infolgedessen zusammen mit der Spiegelachse geschwenkt werden, was eine starre
Kopplung von Absorber und Spiegeischale erforderlich machen würde. Dieses Prinzip
wäre bei relativ kleinen S.piegelschalen sehr unwirtschaftlich. Würde man jedoch
anstelle des Absorbers einen Umlenkspiegel mit minimierter Fläche im Fokusbereich
befestigen, könnte man die konzentrierte Strahlung auf einen ortsfesten Zentralabsorber
leiten. Daraus ergäbe sich aber zwingend eine kontinuierliche
Schwenkung
des Umlenkspiegels und somit die Notwendigkeit einer zweiten Steuerungseinrichtung.
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Eine wesentlich vorteilhaftere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
solarpneumatischen Steuerungsprinzips resultiert aus dem Gedanken, als Leitlinie
nicht die Verbindungsgerade Sonne/Spiegelachse, sondern die Verbindungsgerade Strahlenausfall-Achse/
Absorberzentrum zu verwenden, auf der die Fokussierung stattfindet. @etzt man in
die mitte der Spiegelschale, deren Brennweite so groß soin muß wie die entfernung
des Zentralabsorbers, einen @leinen Konk@vspiegel, dessen optische Achse ebenfalls
in der Leitlinie liet und dessen brennweite nur ungefähr 300 mm heträrrt - man stelle
sich einen stark vergrößernden @asierspiegel vor, der in etwa die gewünschten Daten
aufweist -, ergibt sich der entscheidende Effekt, daß die Brennpunkte beider Spiegel
auf @erselben Leitlinie gebildet werden. ian benötigt nur noch eine ortsfeste Kalotte
deren Krümmungsmittelpunkt ini Zentrum des @leinspiegels liegt und deren Krümmungsradius
der Brennweite dieses Spiegels entspricht, um die Sollposition der Leitlinie eindeutig
zu definieren. Die Befestigung der Kalotte wird zweckmäßigerweise mit Hilfe eines
abgewinkelten dünnwandigen Stahlrohres vorgenommen, das in einem Knoten-Element
des Stabrostes fixiert ist. Daraus folgt, daß der Stabrostraster auf die Distanzbereiche
der Spiegelschalen abgestimmt sein muß Im Interesse einer ausreichenden Formsteifigkeit
des rostes empfiehlt sieh die Anwendung eines Dreieckrasters im 6O0-System.
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Auf der dem Kleinspiegel abgewandten Kalottenseite werden mehrere
zylindrische Luftspeicher angebracht, einer davon stellt das Steuerzentrum dar,
die übrigen gruppieren sich konzentrisch um ihn herum, Die Kalotte ist so zu justieren,
daß bei exakter Sollposition der Leitlinie der brennpunkt des Kleinspiegels in der
Achse des Zentralspeichers liegt, dessen Innendruck dadurch erhöht wird. Die anderen
Speicher verhalten sich so lange neutral und symmetrisch, bis der Brennpunkt zu
wandern anfängt und schließlich auf einen Außenspeicher trifft. Die jetzt entstehende
Asvmmetrie wird durch eine Differenzpneumatik auf die Stellglieder übertragen, die
dafür sorgen, daß die Spiegelschalenposition wieder in die Sollstellung zurüclckehrt.
Die erforderliche Mechanik kann in verschiedenen Varianten ausgeführt werden.
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Es versteht sich von selbst, daß eine Leitlinienstenerung durch wärmeheaufschlagte
Luftspeicher nur eine heschränkte Genauigkeit bieten kann und deshalb nur dann sinnvoll
ist, wenn die Nutzfläche des Absorhers wesentlich größere Dimensionen hat als die
Brennfläche des einzelnen Konkavspiegels. Der Toleranzkegel wird in einem reich
von mindestens + 20 tentriwinkel liegen. Eine erheblich höhere Genauiekeit läßt
sich erfindungsgemäß mit Hilfe konzentrisch angeordneter NTC-Widerstände erzielen,
die auf einer kreisrunden Lochplatte montiert und eschaltet sind. Diese latte wird
in eine entsprechende Aussparung der umseitiv beschriebenen kalotte gesetzt und
dort durch Schräubchen oder Klemmfedern fixiert. Die Justierung der Kalotte bzw.
der Lochplatte relativ zur kalotte ist so vorzunehmen, daß der Brennpunkt des Kleinspiegels
bei Sollstellung der Leitlinie auf dem zentralen NTC-Widerstand liegt. Da es sich
bei dieser Lösung nicht darum handelt, Temperaturen zu messen, sondern nur steuerungstechnisch
verwertbare Widerstandsdifferenzen zu bilden, können sehr preiswerte Heißleiterserien
verwendet werden.
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Es ist keineswegs erforderlich, die NTC-Widerstände in größerer Stückzahl
und verhältnismäßig kleinen Abeständen anzuordnen, man wird sich vielmehr darauf
beschränken können, um einen engen Kreuzstern einen Quadranten aus geschwärzten
Pla-tten hoher Wärmeleitfähigkeit zu legen, die je einen Heißleiter beinhalten.
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Auf diese Weise erhält man einen Zweiachsigen Sensor mit zweistufiger
Ansprechgenauigkeit. Dieses Prinzip kann selbstverständlich auch zweckentsprechend
abgewandelt werden.
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Die solarpneumatische Anlage läßt sich jetzt in Form eines zentralen
pneumatisch/hydraulischen Membranspeichers mit tingleitung und peripherer Ventilsteuerung
ausführen. Für jeden Einzelspiegel ist eine separate Ventilgruppe zuständig, die
an der Kalotte befestigt sein kann und durch einen elektronischen Differenzverstärker
über die zugehörieen NTC-Widerstände aktiviert wird. Das Drucköl bewirkt über Miniaturzylinder,
Schwenkkolbenmotoren oder auf ähnliche Weise die zweiachsige Nachführung der schwerpunktsgelagerten
Spiegelschale. Es kann erwogen werden, den zentralen Heißleiter als Steuerorgan
für eine lteibungs- oder Zahnplattenblockierung zu verwenden. Zum mindesten sollte
er aber dazu dienen, bei Wärmebeaufschlagung die Steuerventile außer Funktion zu
setzen und so eine ruhelage der Spieelschale
herbeizuführen. i)as
pneumatisch/hydraulische Prinzip hat den Vorteil einer präzisen und unelastischen
Positionierung; wenn man den Mitteldruckbereich nicht überschreitet, ist die Leckirefahr
sehr gering. Die Ventile können entweder elektromagnetisch oder pneumatisch betätigt
werden, auf eine interessante Möglichkeit der meciianischen Ventilbewegung wird
im weiteren Text hingewiesen. Die Nachführaugssteuerung mittels NTC-Widerständen,
die ohnehin mit Schwachstrom arbeitet, läßt es naheliegend erscheinen, in diesem
Falle der elektromagnetischen methode den Vorzl zu eeben. er erforderliche Strom
kann photovoltaisch auf direkte oder solarthermisch auf indirekte Weise erzeugt
werden. Der Kostenaufwand ist bei beiden Lösungen durchaus bescheiden. Im Interesse
einer Minimierung der Gesamkosten für die Nachlaufsteuerung wird vorgeschlagen,
die Spiegelschalen bei Anwendung der Stabrostmethode in Gruppen zusammenzufassen
und ihre zweiachsize Schwenkbewegung mit fIilfe von Gelenkstanen zu synchronisieren.
Die jeweils mittige Spiegelschale wird einer entsprechend kräftiger dimensionierten
Steuerung ausaerüstet, die wesentlich billifrer ist als mehrere Einzelsteuerungen.
Bei der Stüzen/Schalen-Methode, die sehr große Spielgel einheiten benötigt, gibt
es keine sinnvolle Alternative zur Einzelsteuerung. In diesem Falle ist der Verlust
an Reflektorfläche durch den zentralen Fokussierspiegel so gering, daß er vernachlässigt
werden kann.
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Verwendet man anstelle der NTC-Widerstände kleine Bimetallstreifen,
kann man bei sinnvoller Ausgestaltung der tßetails eine rein mechanische Ventilhetätigung
erreichen. Die Präzision der Leitlinienausrichtung wird zwar etwas geringer, liest
jedoch immer noch in einem akzeptablen Bereich. Der Kostenaufwand dürfte bei diesem
erfindungsgemäßen Vorschlag auf ein Minimum reduziert werden können. Da eine Bimetallfeder
mehr Wärmeenergie benötigt als ein NTC-Sensor, läge es nahe, dem letztgenannten
in sonnenarmen Regionen den Vorzug zu geben. Es besteht aber auch die Möglichkeit,
den Fokussierspiegel entsprechend zu vergrößern.und so eine quadratische Energiemehrung
zu erzielen.
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Da man die Spiegelbojen gemäß Zusatzanmeldung vom 1c4.77 aufgrund
ihrer gegenseitigen Verankerung als ortsfest betrachten kann, bestehen keine Bedenken
deren eine Anwendung der Steuerungsprinzipien nach Art der obigen Beschreihunio,
Die Gruppensteuerung
dürfte sich ran, besonders einen, weil von
vornherein mit einer großen /ahl von Spiegeleinheiten zu rec'-inen ist, Eine ähnliche
Situation wäre bei der Solarisierung südlicher Gebirgshänge oder sonstiger schwer
kultivierbarer landstriche gegeben, wo das Stabrostsystem als besonders vorteilhafte
Konzeption infrage käme.
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Kommt ein zentraler Absorbermast zum Einsatz, kann die Energiestrahlung
auf seinen Kopf durchaus in einer Größenorduung von mehreren Tausend @ilowatt liegen.
Daraus folgt, daß das Wärmeträgermedium je Stunde eine Wärmemenge transportieren
müßte, die unter Umständen weit mehr als eine million koal beträgt.
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Würde man beispielsweise als Medium ein Thermoöl verwenden, (lessen
spezifische Wärme 0,50 Kcal/km°C und dessen nutzbare Temperaturspanne 100°C betragen
möge, wären die Wärmeaustauscher im Ahsorberlropf und im Mastfuß stündlich mit einem
Öldurchfluß von 20 000 kg/Million kcal belastet. Pro Sekunde mullte somit eine Ölmenge
von 5,6 kg die Wärmeaustauscher passieren und dabei eine Temperaturänderung von
jeweils 100°C erfahren. Beim Wärmeträeermedium Luft mit cp = 0,24 Kcal/kg°C wäre
bei gleichem Durchflußgewicht die doppelte Temneraturspanne oder nei leicher Temperaturspanne
das doppelte Durchflußgewicht erforderlich.
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Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, den größten Teil der Wärmeenergie
durch Strahlung zu transportieren und zu diesem Zwecke auf einen ltohrmast einen
Cassegrain-Reflektor zu setzen, der das auftreffende gebündelte Spiegelschalenangebot
noch vor der Fokussierungs-Ebene entlang der Rohrachse nach unten wirft. Etwaige
Streustrahlung wird von den verspiegelten Rohrwänden durch Mehrfachreflexion zum
Mastfuß gelenkt. Erforderlichenfalls kann man das Medium Luft zum Abtransport der
restlichen Wärmeeneraie benutzen. Gibt man dem Rohrmast einen doppelwandigen Querschnitt,
ergibt sich die Möglichkeit, die Luft im Mantelbereich nach oben und im Innenrohr
nach unten strömen zu lassen0 Auf diese Weise erreicht man einen gewissen Kühleffekt
auf der Außenfläche des Innenrohres, Zum Schutze des Casse--grain-Reflektors wird
am Mastkopf eine hochtransparente Platte angeordnet, die Staub, Insekten, Schlagregen
und Windböen abhält. Eine selbsttätige Waschanlage sorgt fiir ihre sporadische lteinigung.
Der Mindestdurchmesser des Innenrohres
hängt von der Spie@elfeldfläche
und der Präzision der Spiegelnachführung ab, auch die optische @ualität der Spiegelschalenbeläge
spielt dabei eine gewichtige @olle.
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Da im Regelfalle auf einen Wärmespeicher nicht verzichtet werden kann,
hat man sich zu entscheiden, welche Speichermethode von Fall zu Fall gewählt werden
soll. Benötigt man einen Langzeitspeicher, dessen Kapazität einem Energiebedarf
von zwei bis drei Lonaten entsprechen sollte, wenn das Solarbauwerk in einer lte£rion
der gemäßigten 3reite projektiert werden muß, ergibt die Vorberechnung unter Umständen
ein ganz beachtliches Speichervolumen. In grober Näherung wird man pro m2 Spiegelfläche
etwa 0,5 m3 Langzeitspeicher-Inhalt annehmen müssen. Diese Faustformel macht deutlich,
daß es sehr lohnend ist, die spezifischen Speicaer@osten zu minimieren. In Anbetracht
des Umstandes, daß beim erfindungsgemäßen Solarsystem die Energieumwandlung im @ochtemperaturbereich
abläuft, sind die zünstirrsten Voraussetzungen eim Feststoffspeicher zu finden.
Wählt man beispielsweise als billiges Speichermaterial Fiischkies mit besonders
dichter Kornpackung, kommt man bei einem oberen Temperaturniveau von ca. 800°C auf
eine spezifische Speicherkapazität, die weit über dem Wert einer äouivalenten Wassermenge
im Niedertemperaturbereich und auch noch erheblich über dem Wert eines technisch
realisierbaren Latentwärmespeichers liegt. Die optimale Form eines Großraumspeichers
mit Langzeiteffekt wäre eine Kugel, weil deren Oberfläche im Verhältnis zum Volumen
am kleinsten ist. Als nicht wesentlich ungünstigere Form käme ein Zylinder in betracht,
gefolgt von einem Vieleckprisma und dann von einem Würfel. Alle geometrischen Formen
mit wenirrer kompakter Gestalt haben eine nachteiligere Relation Oberfläche/Volumen.
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Da es im praktischen Falle nicht ohne weiteres möglich sein wird,
den Speicherraum einigermaßen ideal zu entwerfen und zu realisieren, kommt der Optimierung
der Speicherhülle eine ganz ausschlaggebende Bedeutung zu. Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, eine zweischalige Wand aus industriell vorgefertigten Vakuumplatten-Elementen
zu verwenden und einen l)istanzraum von ca. 100 mm Dicke zwischen die beiden Schalen
zu legen. Besonders hohen Anforderungen hat dabei die Innenschale gerecht zu werden,
weil sie in direktem Kontakt mit der heißen Speicherfüllung
steht.und
auch den Seitendruch eines unstabilisterten Granulates aufzunehmen hat. Die Außenschale
hingegen ist einer nur mäßigen Temperatur ausgesetzt, auch der Erddruck bleibt -im
Falle eines Tiefspeichers - in erträglichem Rahmen.
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Die im Sandwichprinzip aufgebanten Vakuum-@iemente hestehen aus zwei
Stahlblochschalen und einem waben- oder eierkartonförmigen Stützkern aus Keramik.
Die Plattenränder sind mit lu@tundurchlössigen Porfilen von niedriger Wärmeleitzahl
a@@ a greichen@er Stabilität eingefaßt, die vorzugsweise aus gesintertem Verkstoff
hergestellt werden. Die beidseitig geschliffenen und polierten Schalenbleche erhalten
eine Dicke, die gerade noch Ausreicht, um einen äußeren überdruck in nöhe des atmospharischen
Drucks zuzüglich eines Sicherheitszuschlages von ca. 50 % über einen Zeitraum von
ungefähr zehn Jahren aurzunehmen. Voraussichtlich wird die Dicke bei etwa 0,8 mm
liegen und die Schalendistanz bei etwa 50 mm. Grundsätzlich wäre es möglich, für
die speicherseitige Wand einen anderen Sandwich-Aufbau zu w,ihlen als für die erdseitine
Wand.
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Jedes einzelne Wandelement wird mit mindestens einem Evakuierungsventil
ausgestattet, das in den zwischen Innen- und Außenwand befindlichen Distanzraum
mündet und dort an eine gemeinsame Absaugleitung angeschlossen wird. Diese steht
in dauernder Verbindung mit einer Nieder- und einer Hochvakuumpumpe. Auf diese Weise
erhält man die Möglichkeit, von Zeit zu Zeit eine Nachevakuierung vorzunehmen. Da
es aus technischen und ökonomischen Gründen keinen Lösungsweg für die Erzielung
eines extrem hohen Wärmedurchgangswiderstandes bei großformatigen Speicherummantelungen
gibt, wird aus der Not eine Tugend gemacht und der Distanzraum als Niedertemperaturspeicher
verwendet. Falls in größerer Menge Naßdampf gewonnen werden soll, kann sogar der
Mitteltemperaturbereich vorteilhaft sein. Die im Distanzraum befindliche Warm- oder
Heißluft wird mit hilfe eines entsprechend dimensionierten Geblises durch einen
Wärmeaustauscher geleitet und dort auf ein Temperaturniveau von ca. + 300C bis +
1000C heruntergekühlt. Das Wärmeträgermedium des Sekundärkreises kann je nach Zweckmäßigkeit
Luft, Wasser oder Thermoöl sein. Unter Umständen käme auch ein Kühlmittel wie beispielsweise
Frigen in Betracht.
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Eine Kostenminimierung kann bei @ochtemperatur-Langzeitspeichern mit
Volumina von mehreren hundert bis weit über tausend bubikmetern erst dann zielstrebig
durchgeführt werden, wenn man sich darüber im klaren ist, wie sich die Temperaturverteilune
und die Wärmewanderung innerhalb des Speichermediums im praktischen Einsatzfalle
ergibt. Geht man vom idealen Kuzelformspeicher aus und nimmt man an, daß sein Zentrum
kontinuierlich mit Wärmeenergie von hohem Temperaturniveau beschickt wird, kommt
man zu dem Schluß, daß bei homogener Zusammensetzung eines Feststoffgranulates die
Isothermen in Gestalt konzentrischer Kueelschalen auftreten müssen, deren Abstände
sich vom kugelzentrum zum Kugelrand hin immer mehr vergrößern.
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Das Ternperaturiiiveau der äu{3ersten Isotherme hangt von der Temperatur
des die Kugelhülle umgebenden Mediums und von der telation des iärmedurchSaneswiderstandes
der tugelhülle zum Wärmedurchlaßwiderstand des Feststoffgranulates und des umgebenden
Mediums ab. Bei instationärem Wärmedurohfflang treten mehr oder weniger große Verschiebungen
der Isothermenpositionen gegenüber dem stationären Zustand auf. Von vornherein steht
aber fest, daß im Kugelzentrum eine erheblich höhere Temperatur herrschen muß als
in der Nähe der Kugelhülle.
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Diese Situation bietet den Vorteil, daß die Temperaturdifferenz zwischen
den beiden Kugelhüllen-Oberflächen nicht extrem groß sein wird, und somit auch der
Wärmedurchgangswiderstand der Hülle selbst - spezifisch gesehen - keinen übermäßig
hohen Wert haben muß. Legt man beispielsweise die Kanäle für die innere Hochtemperaturentnahme
in die Nähe er Kugelhülle, ergibt sich ein zusätzlicher Kühleffekt, der die Temperaturdifferenz
zwischen den Hüllen-Oberflächen noch weiter reduziert und infolgedessen auch die
Anforderungen bezüglich des Wärmedurcheangswiderstandes. Für die Entnahme eines
niedrigeren Temperaturniveaus würde sich bei einer dicken Kompakthülle ein Kanalsystem
in der äußeren Hüllenhälfte ganz besonders einen, während ein sehr hohes Temperaturniveau
nur durch Kanalisierung des Speicherkernbereiches gewonnen werden könnte.
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Überträgt man diese Überlegungen vom idealen auf einen realen Hochtemperaturspeicher
eroßen Volumens, kommt man zu dem Ergeb nis, daß der Absorber- bzw. Cassegrain-Mast
in der Mittelachse des Speicherraum-Grundrisses angeordnet werden sollte, also möglichst
weit
entfernt von der Speicherraumbegrenzung. Die Energieeinstrahlung müßte zweckmäßigerweise
auf eine Zone konzentriert werden, die in halher Höhe der Sneicherfüllung liest.
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Die Füllhöhe sollte im mittleren @ereich des Speichergrundrisses nicht
wesentlich kleiner sein als der Speicherdurchmesser an der engsten Stelle. Eine
unerwünschte @nergierückstrahlung in Richtung Cassegrain-Reflektor ließe sich dadurch
verhindern, daß man auf dem Grund ier fßinstrahlungsrö.hre eine kegelförmige Erhebung
aus hochwärmebeständigem, schwack absorbierendem und somit stark reflektierendem
Material anordnet, welche die vom Mastkopf kommende Vertikalstrahlung in die Horizontale
umlenkt.
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Ergänzend könnten konzentrisch um den kegel herum radial verlaufende
Absorberröhren relativ geringen Durchmessers, jedoch grösserer Stückzahl, im Feststoffgranulat
eingebettet werden, mit denen das Wärmeübertragungsproblem sehr kostengünstig lösbar
sein müßte.
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Unter diesen Voraussetzungen ist es erfindungsgemäß möglich, auf eine
Vakuumhülle zu verzichten und den Speicherraum mit vorgefertigten oder an der Baustelle
improvisierten Kompaktplatten entsprechend hoher Wärmedämmfähigkeit und mitzebeständigkeit
zu verkleiden. Die beiden äußeren Kanalsysteme können vorteilhaft in die Plattenkonstruktion
integriert werden, und zwar so.
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daß das speicherseitige System zwischen der einzentlichen Wärmedämmschicht
und dem Feststofefgranulat liest, während das erdreichseitige System innerhalb der
Wärmedämmschicht einzubauen ist. Beim ersten System ist die Wärmeleitzahl der Wandung
nur von untergeordneter Bedeutung, beim zweiten System sollte man großen Wert auf
einen wenig leitenden Werkstoff leeren. Da die weiterzuverarbeitende Wärmeenereie
durch das Medium Luft transportiert werden soll, spielen etwaige Leckstellen an
den Flattenstößen praktisch keine Rolle. Die Wärmedämmschicht wird vorteilhaft aus
mehreren Schichten einseitig oder auch beidseitig mit dünnen Aluminiumfolien beschichteter
Mineralfasermatten zusammengesetzt, die als Pakete von etwa 350 mm Dicke einen k-Wert
von weniger als 0,100 kcal/m2 h grd C' erwarten lassen.
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Bei sinnvoller Detailgestaltung und rationeller Serienfertigung wird
der Kostenaufwand für solche Speicherwand-Elemente erheblich niedriger als für ein
zweischaliges Vakuumsystem mit Nachevakierungsanlage. Der etwas höhere Wärmeverlust
wird mit
größter Wahrscheinlichkeit durch die Kostenersparnis voll
kompensiert. Die Montage und die Durchführung gelegentlicher Prüfungen wird stark
vereinfacht, ferner läßt sich das statische Problem der Erd- und Füllgutdruck-Aufnahme
sehr leicht bewältigen. Der umhüllende Werkstoff der beschriebenen Kompaktplatten
muß in der Lanze sein, die zu erwartende Höchsttemperatur des benachbarten Feststoffgranulates
für längere Zeiträume ohne Nachteil zu ertrarren. Je nach Temperaturniveau kann
beispielsweise tahlblech, Aluminiumblech, Keramik, Guß-, Walz- oder Schaumglas infrage
kommen.
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Ein interessantes Kombinationsverfahren stellt die Verwendung von
kanalisierten Kompaktplatten für die äußere Speicherhülle und von Vakuumplatten
für eine Zwischenhülle dar. Weil die Oberflache einer Kugel im Quadrat der Radiusreduzierune
schrumpft, kann man auf diese Weise den Kostenaufwand für das Vakuumsystem ganz
erheblich verringern. Line Stoßverbindung ist überflüssig, weil die Vakuumplatten
unverrückbar in der Speicherschüttmasse fixiert sind. Es kann jedoch zweckmäßig
sein, H-förmige Halteprofile aus gepresstem Dämmstoff hoher Temperaturbeständigkeit
als Montagehilfe und Stoßfugendichtung einzusetzen. Die Vakuumplatten lassen sich
in Großserie ziemlich preisgünstig herstellen, das Format kann beispielsweise bei
1000 x 1000 x 30 mm liegen. Wenn im Lauf der Zeit ein Teil der Vakuumplatten schadhaft
werden sollte, kommt es nur zu einem jeweils örtlich begrenzten Temperaturausgleich
zwischen dem Hochtemperatur~ und dem Mitteltemperaturbereich des Großraumspeichers
und somit zu einem etwas höheren Wärmeverlust durch die äußere Speicherhülle während
der Aufladungs- bzw. Leerlaufphase. Sonstige Nachteile sind nicht zu befürchten.
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Wenn in der Nähe einer zu solarisierenden Großhalle genügend Freigelände
zur Verfügung stehen sollte, das für Bebauungszwecke im Rahmen konventioneller Nutzung
nicht gebraucht wird, ergibt sich erfindungsgemäß die Möglichkeit, anstelle eines
unterirdischen Großraumspeichers in diskus- oder linsenähnlicher Form einen oberirdischen
Speicher in Prisma-, Zylinder oder Kuppelform zu errichten. Je nach Bodenverhältnissen
wird man die Sohle eines solchen Hochtemperaturspei cher-Banwerks mehr oder wenieer
tief unter Terrain legen, der größere Volumenanteil
befindet sich
noch im reien. Dieses Speicherprinzip hat den großen Vorteil, daß die auf die Außenhülle
Strahlende Solarenergie zur Kompensation des Wärmeverlustes verwendet werden kann.
Man hat nur dafür zu sormen, daß die nächtliche Energieabstrahlung durch reei-nete
Maßnahmen so weit wie möglich und sinnvoll reduziert wird. Auch der Wärmeentzug
durch Windströmung ist mit zweckmäßigen Mitteln zu begrenzen. Da die Außenhülle
nicht evakuiert werden muß, können auch im Falle von Beschädigungen durch Verkehrsmittel
oder Naturereignisse keine gefährlichen Umweltheeinflussungen auftreten. Auf@rund
des Umstandes, daß ein auf@eschü@tetes @eststoffgranulat einen naturlichen Böschungswinkel
in der Größenordnung von 55 Grad bildet, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die
Kontur des oberirdischen Speicherraumes nach Möglichkeit dieser aus statischen Gründen
außerordentlich günstigen Schüttungsform anzunähern und die Speicherhülle als Prismatoid,
Kegelstumpf oder Ellipsoid auszubilden. Auf diese Weise lassen sich die unteren
Spannungen es Systems so sehr abbauen, daß die Baukasten-Elemente fiir die tussenschale
fast nur noch die Aufgabe der Wärmedämmung und der Solarenergie-Absorbierung zu
übernehmen haben. Aufgrund der relativ gunstigen spezifischen Mantelfläche ergibt
sich ein Minimum der spezifischen Speicherkosten. Der Absorber- bzw. Cassegrainmast
wird im Zentrum des "Wärmemeilers" errichtet.
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Beim erfindungsgemäßen System zur Solarenergienutzung im @ochtemperaturbereich
liegt der Schwerpunkt sämtlicher @berlegungen in der rationellen und jahreszeitunabhängigen
Stromgewinnung.
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Die weniger edlen energieformen Wasserdampf und Heißöl oder Warmwasser
bzw. Warmluft fallen ohnehin auf niedrirreren Temperaturniveau's an, man kann sie
deshalb als "Abfallprodukte" der Stromerzeugung betrachten. Da es sich dabei nur
um verschiedene Arten von Wärmeträgern handelt, läßt sich ihre Betrachtung mit direkter
Strahlungs- oder indirekter Speicherenerrrie über einen Wärmeaustauscher relativ
leicht und wirtschaftlich bewerkstelligen. Für die Stromerzeugung hingegen ist eine
Umsetzung von Wärme in motorische Leistung erforderlich, die aus ökonomischen Gründen
nicht nur mit möglichst hohem thermischem, sondern auch mit akzeptablem Gesamtwirkunsgrad
realisierbar sein muß. diese Forderung erlangt umsomehr Gewicht, je größer der Anteil
der benötigten Jahres-Kilowattstunden an der Jahres-Kilokalorienmenge
des
verwertbaren Solarenergie-Gesamtangehotes ist. )a bisher Wärmekraftmaschinen therwiegend
für hohe bis höchste Leistungsberei che hergestellt werden lind dort auch durchaus
beachtliche Wirkungsgrade erreichen, wirft sich zwangsläufilr die Frage auf, wie
die mittleren bis niedrigen @eistungshereiche abgedeckt werden sollen, die beim
er@irdu@@sgemäßen System eine @anz er@ebliche Rolle spielen müssen.
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Zunächst wäre darauf hinzuweisen, daß der Wärmekraftprozeß sinnvollerweise
nur im geschlossenen kreislauf erfolgen kann, weil andernfalls wertvolle Wärmeenergie
verloren ginge. Zunächst wird man zwei prinzipien in Betracht zieher müssen, nämlich
die Reißgasmaschine und die Dampfmaschine. In beiden Fällen gibt es den technischen
drei der Strömungs- und der Kolhenmaschine, wobei der jeweilige Unterschied nicht
zuletzt in der primären Drehzahl liegt. Bisher gilt die Regel, daß die Investitionskosten/Leistungseinheit
mit wachsender Größe der Anlage zunehmend fiir eine Strömungsmaschine sprechen,
während in umPekehrter Richtung die Kolbenmaschine mehr und mehr an Wirtschaftlichkeit
gewinnt. Das bei stationären Antrieben weniger wichtice Leistungsgewicht erreicht
bei Strömungsmaschinen schon sehr bald den günstigeren Wert.
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Die Rotorschaufeln einer Turbine werden kontinuierlich beaufschlagt,
die Pleuellager einer Hubkolbenmaschine unterliegen einer oszillierenden Beanspruchung.
Die Kreiskolbenmaschinen ermangeln ebenfalls eines kontinuierlichen Durchsatzes.
Auch die vom Erfinder in einer früheren Patentanmeldung vorgeschlagene vierachsige
Gegenkolbenmaschine mit gasführenden Linsenläufern arbeitet mit periodisch veränderlichem
Brennraumvolumen. Nach heutigem Stand der Technik wäre nur eine Mehrschrauben-Expansionsmaschine
geeignet, ein gas- oder dampfförmiges Medium bei einer vorhandenen Druckdifferenz
zwischen Eingang und Ausgang zur Erzeugung eines Drehmomentes bei rleichmäßigem
Durchsatz zu verwenden. Zunächst müßte allerdings die notwendige Druckdifferenz
hergestellt werden0 Als neuartige Methode kann die erfindungsgemäße Kaltdampf-Drehkolbenmaschine
bezeichnet werden, die aus zwei gekoppelten Zahntrommelpaaren mit differierendem
Fördervolumen gebildet
wird, die in einem gemeinsamen (lehäuse
rotieren und eine JJruc1ikammer einschließen, deren Volumen durch eine geometrisch
gebundene Fläche in Form ei nes unterbrocnenen Vierborr,enzwickels und eine frei
wählbare raumhöhe definiert ist. Zwischen dieser Druckkammer und dem peripheren
Gehäuseraum, der über eine Ringleitung mit einem Kühler in Verbindung steht, wird
mittels Wär mezufuhr ein Druckgefälle aufgebaut, aus dem ein Differenzdrehmoment
resultiert, das nur durch Rotation del beiden in gleichem Drehsinn, aber mit verschiedener
@rehzahl gekoppelten Zahntrom melpaare wieder abgebaut werden kann. Wenn das Druckgleichgewicht
erreicht ist, kommt das System zur Ruhe, weil in diesem Zustand die beiden Zahntrommelpaare
ebenfalls, jedes für sich allein betrachtet, im Gleichgewicht stehen. Führt man
der Druckkammer stetig Wärme zu, wird ein stetiges Nutzdrehmoment erzeugt, dessen
spezifische Größe vom Druckgefälle abhängt. Dabei fördert das langsamer rotierende
bahntrommelpaar lortwährend Arbeitsmedium in die Druckkammer, tlas dort stark erhitzt
wird, um dann durch das schneller rotierende Paar wieder in den peripheren Gehäuseraum
und von dort in den Kühler zurücktransportiert zu werden0 Dieses Prinzip kann, da
es einen geschlossenen Kreislauf besitzt, mit jedem Uberdruck ablaufen, der lagerungs-und
dichtungstechnisch realisierbar ist.
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Um bei mäßiger Drehzahl und Vorspannung eine hohe Nutzleistung erzielen
zu können, benötigt die beschriebene Drehkolbenmaschine ein entsprechend großes
Drehmoment. Dieses hängt wiederum von der Zahnflankenfläche und dem Teilkreisradius
ab. Nan wird deshalb einen möelichst großen Zahntrommeldurchmesser und eine angemessene
Zahntrommelbreite wählen und die Zähnezahl so weit wie möglich begrenzen, daß sich
eine maximale Zahnhöhe ergibt.
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Dadurch würde bei konventionellen Zahhrad-Herstellungsmethoden der
Kostenaufwand und das Leistungsgewicht ungünstig beeinflußt.
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Aus diesem Grunde ist der erfindungsgemäße Vorschlae, leicht gebaute
Zylindertrommeln mit relativ dünnen Wellzahnbändern zu bestücken, von schwerwiegender
Bedeutung Auf diese Weise erhalt man nicht nur eine optimale Zahnform, sondern auch
ein niedriges Leistungsgewicht und einen bescheidenen Materialaufwand. Hinzu kommt
der Vorteil einer klaren Trennung der Verschleißteile von den Langzeitteilen. Die
Wellzahnbänder sind auf die Zylindertrommelbettungen aufgeschrumpft und können deshalb
unter Erwärmung
m@belos shgezogen bzw. aufgesetzt werden. Auch
die Ser-förmigen Laufringe sind bequem austauschbar, weil sie mit den lagerseitigen
Gehäuseplatten nur durch konische Steckbolzen verbunden sein müssen. @hnlich einfach
kann das Auswechseln der die beiden Zahntrommelpaare trennenden Gleitbahn-elemente
vonstatten gehen. Ine Motorüberholung l.ißt sich infolgedessen in jeder beliebigen
Mechanikerwerkstätte, wenn nicht ear an Ort und Stelle durchführen. Darin liegt
ein ganz entscheidender Vorteil im Vergle@ch zu @onventionellen Motoren beliebiger
Bauart. Die Wellzahnband-Methode erlaubt eine intensive Zahnkühlung von innen, weil
dafiir große Hohlräume ziir Verfügung stehen, Auch die Schmierung macht @einerlei
Schwierigkeiten. Fertigungstechnisch ist es durchaus möglich, hochwertiges Bandmaterial
mit beachtlicher Oberflächengüte und exakter Seitenkante so zu verformen, dal3 sich
eine toleranzarme Zahnprofilierung und -teilung ergibt. Aufgrund der hohen Zahnelastizität
werden kleine fehler entweder abgefedert oder abgeschliffen. Die große Formsteifigkeit
der Zylindertrommeln verhindert jegliche Durchbiegung. Da der Differenzdruck auf
die Zahntrommeln und sonit auf die Lager infolge der stark reduzierten Beaufschlagungsfläche
in mäßigem Rahmen bleibt, wirft die uimensionierung der wertvollen Teile keine besonderen
Probleme auf. Die Drehzahl-Kopplung der beiden Achspaare kann sowohl über ein oder
zwei Zahnradgetriebe - mit dreiteiligem Satz - als auch über einen einfachen oder
doppelten Zahn- oder Keilriementrieb bewerkstelligt werden. Die erste iiethode bewirkt
eine starre, die zweite eine elastische Kopplung. Wählt man die Keilriemenlösung,
kann man eine stufenlose Regelung der Übersetzung realisieren und auf diese Weise
das spezifische Drehmoment der Wärmezufuhr bzw. der etwaigen Belastungsänderung
anpassen. Verwendet man anstelle des Paralleltriebes einen Diagonaltrieb, kehrt
sich der Drehsinn des einen Achspaares relativ zum zweiten Achspaar um und man erhält
einen Zwillings-Zahnradmotor mit zentraler Beaufschlagung. Daraus folgt, daß ein
Zahn- oder Keilriementrieb die vorteilhafteren Möglichkeiten bietet. Bei Einheiten
mit sehr hoher Leistung kann eine Zahnkettenkopplung empfehlenswert sein, weil damit
hohe Zugkräfte bei geringem Verschleiß und Leistungsverlust äbertragen werden können
Da die Kopplung im Normalfalle außerhalb des Druckgehäuses stattfinden wird, herrschen
während des
Betriebes ungefähr gleichmäßige Temperaturverhältnisse
im Getriebebereich; das Arbeitsmedium ist räumlich davon getrennt und kann deshalb
keinen nachteiligen Einfluß ausüben.
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Die erfindungsgemäße vierachsige Drehkolbenmaschine kann bei gleichsinniger
Drehrichtung der Zahntrommelpaare grundsätzlich mit jedem gas- oder dampfförmicen
Medium betrieben werden0 Bei gegensinniger Kopplung erweitert sich der Anwendungsbereich
auf alle flüssigen Medien. Die Maschine besitzt infolgedessen die Eigenschaften
eines Universalmotors, der keine unausgeglichenen Massenkräfte und keinen oszillierenden
Durchsatz aufweist. Die Maschine stellt somit ein Bindeglied zwischen der Gruppe
der konventionellen Kolbennotoren und der Gruppe der Strömungsturbinen dar. Die
Zahl der erforderlichen helle ist extrem gering, auch der Bauaufwand bewegt sich
in bescheidensten Grenzen, Da die Drahkolbenmaschine bei gleichsinniger Rotation
einen geschlossenen Kreislauf hat, können hochwertige Arbeitsmedien eingesetzt werden,
deren Vorspannung von Fall zu Fall optimierbar ist. Auch das spezifische Druckkammervolumen
läßt sich weitgehend variieren.
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Als ganz besonders interessante Arbeitsmedien kommen erfindungs gemäß
die sogenannten R-Kältemittel - auch unter den Bezeichnungen "Frigen" und "Freon"
bekannt - in betracht, soweit sie im Niederdruckbereich liegen. Als Beispiele lassen
sich R 113 C2Cl 3F3 - Trichlortrifluoräthan - und lt li CCl3F - Trichlorfluormethan
- anführen, die bevorzugt in Turbokempressoranlagen Anwendung finden. Die Verdampfungswärme
solcher Kältemittel beträgt weniger als ein Zehntel der Verdampfungswärme von Wasser.
Man kann deshalb mit relativ geringer Wärmezufuhr bei niedrigem Temperaturniveau
eine intensive Verdampfung erzielen. Bei höherer Vorspannung des Arbeitsmediums
ist alternativ auch die Verwendung von Ammoniak denkbar, das bekanntermaßen sehr
günstige thermische Daten bietet. Ein solcher "Kaltdampfmotor" kann ohne große Schwierigkeiten
an einen Hochtemperaturspeicher angeschlossen werden und hat noch den zusätzlichen
Vorteil, eine weitgehende Entladung des Speichers bis hinein in den Niedertemperaturbereich
zu ermöglichen.
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Diese Tatsache erlangt größte Bedeutung, wenn ortsbewegliche Systeme
mit Hochtemperatur-Wärmespeichern und Wärmekraftmaschinen
der
erfindungsgemäßen Art ausgestattet werden sollen. Da in einem solchen Falle Speichergewicht
und -volumen hegrenzt sind, muß man zwangsläufig Wert darauf lesen, die Wärmekapazität
des Speichers so gut wie irgend möglich auszunützen. Mit Hilfe eines "Naltdampfmotors'
@äßt sich die Wärmezufuhr in den Druckspeicher auf ein Niveau abbauen, das wesentlich
unter + 100°C liegen kann. Aufgrunddessen wären Temperaturspreizungen von ungefähr
700°C durchaus realistisch. Geht man von der Annahme aus, daß ein hochwertiger Feststoffspeicher
mit nochvakuumzylindern in Zigarrenform bei dichtester Packung eine spezifische
Wärmekapazität von 400 kcal/m3 rd - also das 0,400-fache Wasseräquivalent - besitzt,
erhalt man eine aTutzkapazität von 280 000 kcal/m3 oder von 325 kWh/m3. Dieser ungewöhnlich
hohe Speicherwert macht deutlich, wie lohnend die Kombination von Hochtemperaturwärme
und Kalt<Jampfmaschine bei Anwendung im Verkehrswesen sein könnte. Das Gesamtgewicht
eines solchen Antriebssystems mit geschlossenem Areislauf würde in der Größenordnung
eines verleichbaren Dieselantriebs mit gefülltem Kraftstofftank liegen. Die Aufladung
mit Wärmeenergie müßte nicht unbedingt am Speicher selbst vorgenommen werden, sondern
könnte auch durch Austausch der entladenen eeen efüllte "Speicherzigarren" erfolgen.
Auf diese Weise ließe sich der Zeitaufwand für das "Nachtanken" ganz beträchtlich
reduzieren. Baut man die neuartige Kombination in Wasserfahrzeuge ein, ergibt sich
der zusä-tzliche Vorteil einer natürlichen Wasserkühlung des Verflüssigers. Auf
Seite 14 der Zusatzanmeldung vom 1.4.77 wurde bereits darauf hingewiesen, daß in
sonnenreichen kleinen eine wenigstens teilweise Nachladung des Fahrzeug-IIocntemperaturspeichers
während der Fahrt oder während des Parkens möglich ist, wenn im Fahrzeug Trichterkonzentratoren
mit hohem Verdichtungseffekt integriert werden0 Ergänzend sei bemerkt, daß der iiochtemperaturspeicher
und gegebenenfalls auch der Antriebsmotor keineswegs Bestandteil des Fahrzeugs sein
müssen, sondern als getrenntes Aggregat in Form eines Einachs-Anhängers mitgeführt
werden können. Auf diese Weise ließe sich nicht nur das Unterbringungsproblem, sondern
auch die Energieübernahme sehr einfach und zweckmäßig lösen. In diesem erfindungsgemäßen
Grundgedanken liegen zahlreiche Ausgestaltungsmöglichkeiten und Optimierungschancen.