DE2753840C2 - Anordnung für das Konzentrieren und Sammeln von Sonnenenergie - Google Patents

Description

US 38 68 832 bekannt geworden, wonach ein trogartig ausgebildeter Reflektor gegenüber der Senkrechten nicht geneigt ist und eine Mehrzahl der Reflektoren parallel zueinander angeordnet sind. Es ist erne Vielzahl einzelner, getrennter, flacher Reflektorleisten vorgesehen, die jeweils mit einem unterschiedlichen Winkel dergestalt angeordnet sind, daß sich ein Brennpunkt von jeder der verschiedenen Leisten längs eines oberen kreisförmigen Weges ergibt Insgesamt gesehen, handelt es sich um eine relativ verwickelte Anordnung.

Insbesondere, und hiervon geht der Erfindungsgegenstand aus ist eine Anordnung gemäß der DE-OS 25 36 328 bekannt geworden, wobei zwei Kreisbogensegmente mit unterschiedlichen Radien vorgesehen sind. Das Kreisbogensegment mit dem kleineren Radius ist stärker gegenüber der Waagerechten als das Kreisbogensegment mit dem größeren Radius geneigt. Diese Anordnung ermöglicht es nicht, den Reflektor in einer senkrechten Symmetrieebene anzuordnen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine relativ einfache Anordnung für das Konzentrieren und Sammeln von Sonnenenergie zu schaffen, die es ermöglicht, einen ortsfesten Reflektor und einfach beweglichen Kollektor anzuwenden, wobei eine praktisch ganzjährige Ausnutzung während der Hauptbe-Strahlungsperioden jedes Tages des Jahres ermöglicht wird.

Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird nun in kennzeichnender Weise dadurch gelöst, daß der Reflektor waagerecht angeordnet ist und drei Kreisbogensegmente aufweist, von denen die zwei äußeren Kreisbogensegmente mit gleichen Radien ein drittes inneres Kreisbogenelement einschließen, das einen größeren Radius als die äußeren Kreisbogensegmente aufweist und daß eine Mehrzahl der Reflektoren parallel zueinander anbringbar sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht eines Gebäudes, wie eines Hauses, Betriebes, Schule usw. mit dem erfindungsgemäßen Gegenstand.

Fig.2 eine diagrammförmige Darstellung der Arbeitsweise eines einzigen Reflektors und Kollektors nach der Anordnung gemäß der Fig. 1 während verschiedener Zeiten während des Jahres.

Unter Bezugnahme auf die beigefügte F i g. 1 ist ein Gebäude 11 zur Wärmeausnutzung, wie ein Haus, Schule, Produktionsanlage usw. wiedergegeben und besitzt eine Dachreflektor-Oberfläche 21, die durch eine Mehrzahl einzelner Reflektoren 31 gebildet wird und kann weiterhin eine weitere Dachoberfläche oder Oberflächen beliebiger Konfiguration aufweisen. Die Abmessung der Dachreflektoroberfläche 21 wird allgemein abhängen von der erforderlichen Sonnenenergie für ein vorgesehenes Anwendungsgebiet Zwecks größtmöglichem Sammeln der Energie ausgehend von einer gegebenen Dachgröße kann das gesamte Dach als eine Reflektoranordnung ausgebildet sein, wie dies hier in allgemeiner Weise wiedergegeben ist. Es können Fenster 15 und Türen 17 in den Wänden 13 vorgesehen werden.

Die Dachreflektoroberfläche 21 wird durch eine Mehrzahl seitlich benachbarter, einzelner Reflektoren 31 gebildet, die wasserdichte Dachabschnitte bilden und miteinander an deren seitlichen Kanten verbunden sind unter Ausbilden einer wasserdichten Dachkonstruktion.

Jeder Reflektor 31 kann aus einem geeigneten, die Sonnenstrahlen reflektierenden Material gefertigt sein, wie Metall, Glas, Kunststoff oder derartige Materialien können so ausgewählt werden, daß dieselben einen Teil, einen Hauptteil oder die gesamte Baufestigkeit der Dachoberfläche aufnehmen, oder es kann sich um ein Material handeln, das keine Belastungen aufnimmt Die gewünschte Krümmung des Reflektors 31 kann als eine glatte Kurve oder in Form von geraden oder gekrümmten Linien darstellenden Segmenten gebildet sein. So kann zum Beispiel eine gekrümmte Metalldachoberfläche in einem kontinuierlichen Schwung oder in mehreren Paneelen ausgebildet sein, oder es können verschiedene normalerweise gerade Paneele aus Metall Glas, Kunststoff usw. in einem geeigneten Verbindungsverhältnis dazu angewandt werden, die angestrebte gesamtgekrümmte Dachreflektoroberfläche 21 zu bilden.

Die Reflektoren 31 sind nach oben gerichtet, wobei deren gegenüberliegende Enden vorzugsweise direkt in Ösi-West-Richiung orientiert sind, um so eine größtmögliche Energieausnutzung zu erzielen, wenn auch andere Orientierungen angewandt werden können, wobei der Wirkungsgrad geringer ist

Jeder Reflektor 31 reflektiert und konzentriert die Sonnenenergie in eine Zone größter Bündelung, die ihre Lage als eine Funktion des Sonnenwinkels bezüglich der Waagerechten ändert, wie dies durch die durch das Dach hindurchgehende senkrechte Ebene Nord-Süd gemessen wird. Ein Kollektor 51 ist zum Beispiel vermittels Schwenkarmen 45 senkrecht angeordnet, so daß in der Nord-Süd Richtung über jedem entsprechenden Reflektor 31 eine hin- und hergehende Bewegung ausgeführt werden kann.

Die Kollektor-Schwenkarme 45 werden längs einer waagerechten Ost-West Linie geschwenkt, die sich unter, über oder auf der Oberfläche des entsprechenden Reflektors 31 befinden. Bei der gezeigten Ausführungsform beläuft sich das Verhältnis der von der Sehnenlänge des Reflektors 31 überstrichenen Fläche gegen die wirksame Sammelfläche des Kollektors 51 auf angenähert 15:1, wodurch eine größtmögliche Konzentration oder Verstärkungsfaktor von nicht mehr als etwa 15 für die individuelle Reflektor-Kollektoreinheit 31, 51 erreicht wird, wenn auch eine gewisse Streureflexion von benachbarten Reflektoren 31 die Aufnahme in einem gewissen Ausmaß erhöhen kann. Weitere Faktoren wie der Neigungswinkel, die Interferenz des Kollektors 51 bei dem Übertritt der Sonnenstrahlen zu dem Reflektor 31 (wie zu Sommerzeiten) verringern den größtmöglichen Wert auf einen kleineren möglichen Wert für verschiedene Sonnenwinkel. Dieser Faktor hängt weiterhin von dem Ausmaß ab, mit dem die zusammentretende Sonnenreflexion durch den Kollektor 51 aufgefangen wird, wie weiter unten im einzelnen erläutert

Die waagerechte Ausrichtung der Kollektoren 51 nach unten in Richtung auf deren entsprechende Reflektoren 31 unterstützt die Energiesammlung durch die Kollektoren 51 dadurch, daß Wärmeverluste hintenangehalten werden, die sich insbesondere durch Konvektionsverluste ergeben, die in einer geneigten Lage der Kollektoroberfläche größer sind.

Die individuellen Reflektoren 3t weisen jeweils eine halbzylinderförmige, konkave Reflexionsoberfläche auf, die aus benachbarten Kreisbogensegmenten StA, S2 und 5Iß gebildet werden (Fig.2). Die gegenüberliegende;!, äußersten Kreisbogensegmente weisen verzugsweise einen identischen Radius und Bogenlänge auf und besitzen einen kleineren Krümmungsradius R\,R3 als der Krümmungsradius des inneren Kreisbogensegments 52. Somit krümmen sich die konkav gekrümmten

Kreisbogensegmente S \Α und S \Β stärker nach oben als das innere Kreisbogensegment 52, wodurch das Konzentrieren der reflektierten Sonnenstrahlen verbessert wird, die bei den verschiedenen während des Jahres auftretenden Sonnenwinkeln in den entsprechenden Kollektor überführt werden. Wie bereits dargelegt, kann eine Mehrzahl Reflektoren 31 einfach miteinander verbunden werden unter Ausbilden eines Daches, das eine allgemeine flache, im einzelnen wellenförmige Konfiguration aufweist (Fig. 1).

Das genaue Ausmaß der Konzentration und des Sammelns von Sonnenenergie verändert sich mit dem Sonnenwinkel und schwankt allgemein von etwa 6:1 bis etwa 10 oder 11:1 Konzentrations-Verhältnis bei der hier gezeigten Ausführungsform für einen Breitengrad von etwa 28° nördliche Breite.

Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform weist der Reflektor 31 und die Kollektoren 51 für einen Breitengrad von etwa 28° zweckmäßiger Weise die folgenden Werte auf, zu vergleichen in diesem Zusammenhang auch die Angaben in der F i g. 2:

Radien R 1 und R 3 der äußeren	62 Einheiten
KreisbogensegmenteS\A undSiB
Radius R 2 des inneren	81 Einheiten
Kreisbogensegments 52
effektive Breite CWaes	6 Einheiten
Kollektors 51	40V4 Einheiten
Länge des Schwenkarms 45	24 Einheiten
Länge a	21 Einheiten
Längen b und c jeweils	24 Einheiten
Länget/	15V3 Einheiten
Länge e	6V4 Einheiten
Länge/"	4 Einheiten
Längeg	27 Einheiten
Kreisbogensegmente SiA und SiB	43 Einheiten
Kreisbogensegment 52
kleinster Sonnenwinkel MNS,
der durch den Kollektor 51	17°
noch verarbeitet werden soll
größter Sonnenwinkel MXS,
der durch den Kollektor 51	104°
noch verarbeitet werden soll
kleinster angestrebter Winkel
MNC'für die Anordnung
Kollektor/Schwenkarm 51,45
um den größten Sonnenwinkel	7°
zu verarbeiten (angenähert 104°)
größter erforderlicher Winkel
JWA"Cfür die Anordnung
Kollektor/Schwenkarm 51,45
um den kleinsten Sonnenwinkei	147°
zu verarbeiten (angenähert 18°)

25

30

35

40

45

50

Für andere Breitengrade, insbesondere in dem Bereich bis 40° oder 50° Breite, können gegebenenfalls die gleichen Abmessungen des hier gezeigten Reflektors angewandt werden, wobei eine einfache Veränderung der Länge des Schwenkarms 45, und der Stelle der Schwenklager für die Bewegung des Kollektors 51 erfolgt, wie es sich durch eine Aufzeichnung der Reflexionswinkel der Sonne von den verschiedenen Sonnenwinkel ergibt, die bei der hier gegebenen Breite autreten und man sodann den optimalen Kreisbogenweg für den Kollektor 51 auswählt. Hierdurch wird nun die Lange des Schwenkarms 45 und das Schwenklager bestimmt Bei einer Breite von etwa 39° Nord wird zum Beispiel die Länge des Schwenkarms 45 und 32 Einheiten verkürzt, wobei die Länge /"auf 21 Einheiten verlängert wird und die Länge g null ist, um so das gewünschte Ausmaß eines konzentrierten Energiesammeins Tag für Tag über das Jahr hin bei dieser Breite zu erzielen.

Die Bestimmung der örtlichkeit der Kollektoren 51 für jeden Sonnenwinkel kann genau für einen gegebenen Reflektor 31 bestimmt werden, un zwar entweder durch eine empirische Aufzeichnung oder Computeranalyse oder andere mathematische Analysen bezüglich der Linien des Zusammenfließens der Sonnenstrahlen an dem Reflektor 31, wobei der Kollektor 51 so angeordnet ist, daß ein größtmöglicher Betrag an Sonnenenergie bei den verschiedenen Sonnenwinkeln aufgefangen wird. Hierbei kann man Kompromisse eingehen zwischen den Maxima der verschiedenen Winkel für eine gegebene Örtlichkeit und Anwendung. Die Lageanordnung der Schwenkarme 45 und der Kollektoren 51 kann entweder auf einer vorherbestimmten Kontrollbasis oder Energiefeststellung und Rückkopplungssteuerung des Antriebsmechanismus für die Bewegung der Kollektoren 51 erfolgen.

Da alle Reflektoren 31 vorzugsweise praktisch identische Krümmungen aufweisen und identische Kollektoren vorliegen, kann somit eine einzige gemeinsame Steuerung zweckmäßigerweise für die das Dach bildenden Reflektoren 31 und zugeordnete Kollektoren 51 angewandt werden, und zwar zum Beispiel durch das Feststellen der reflektierten Energie bei einem der Kollektoren 51 oder es können mehrere derartige Stellen angewandt und als eine gemeinsame Steuerung herangezogen werden. Natürlich kann jeder Schwenkarm 45 und Kollektor 51 auch getrennt angetrieben und gesteuert werden, dies ist jedoch normalerweise nicht zweckmäßig.

Zweckmäßigerweise sind die Kreisbogensegmente SiA, S 2 und 51B an einem gemeinsamen tangentialen Punkt miteinander verbunden, und eine gemeinsame Tangentialradiuslinie erstreckt sich durch die Mittelpunkte der Radien R ICund R2Csowie R2Cund R3C bezüglich der drei Radien R1, R 2 und R 3.

Im Rahmen der Erfindung sind Abwandlungen und Modifizierungen möglich, zum Beispiel können die Reflektoren 31 als eine einzige oder eine Mehrfach-Reflektoranordnung ausgebildet sein, und zwar nicht als ein Dach für ein Gebäude, obgleich dies normalerweise die zweckmäßigste und bevorzugteste Ausführungsform ist Wenn hier auch eine Anordnung in Form eines Schwenkarms 45 und eine spezielle im Gleichlauf erfolgende Bewegungsanordnung beschrieben ist und für das Tragen und Bewegen der Kollektoren 51 über die angestrebte Bewegungszone als vorteilhaft anzusehen ist, können auch verschiedene andere Trag- und Bewegungsanordnungen für die Kollektoren 51 angewandt werden. Wenn auch bei der gezeigten Ausführungsform drei Radien Ri, R 2 und Λ 3 angewandt werden, und zwar insbesondere aus Gründen der Einfachheit des Aufbaues und der Herstellung, können zweckmäßigerweise auch mehr als drei Radien angewandt werden, die abgestuft von dem kürzesten an dem vorderen und hinteren Ende bis zu dem längsten in der mittleren Zone des Reflektors 31 verlaufen, und man kann auch mit einem sich kontinuierlich verändernden Radius von vorne nach hinten bei dem Reflektor 31 arbeiten. Ein derartiger sich kontinuierlich verändernder Radiusreflektor kann jedoch für eine normale Bauart übermäßig verwickelt sein, und somit wird die Bauart mit drei Radien als ausreichend und als am leichtesten aufbaubar erachtet

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2

Mittelebene in einer von dem Äquator weggerichteten

Patentanspruch: Richtung vor, wobei das Ausmaß des Abstandes von

dem Längengrad des Reflektors abhängt und mit zuneh-

Anordnung für das Konzentrieren und Sammeln menden Längengraden größer wird,
von Sonnenenergie mit einem stationären Reflektor 5 Die Erfindung betrifft eine Anordnung für das Konfür Sonnenstrahlen, der mit einem beweglichen KoI- zentrieren und Sammeln von Sonnenenergie, insbesonlektor zusammenarbeitet, wobei der Reflektor meh- dere eine derartige Anordnung, die zusammen mit eirere Kreisbogensegmente unterschiedlicher Radien nem Gebäude vorliegt, wobei das Dach einen das ganze aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß Jahr über wirksamen Konzentrator für die Sonnenenerder Reflektor (31) waagerecht angeordnet ist und 10 gie darstellt, der dieselbe für einen beweglichen Kollekdrei Kreisbogensegmente aufweist, vor denen die tor sammelt, der zwecks größtmöglicher Ausnutzung zwei äußeren Kreisbogensegmente (SiA, SiB) mit der gesammelten Sonnenenergie in verschiedenen Lagleichen Radien ein drittes inneres Kreisbogenseg- gen beweglich ist und zwar als eine Funktion des Sonment (SZ) einschließen, das einen größeren Radius nenwinkels während des Jahres und während jedes Taals die äußeren Kreisbogensegmente (SiA, SiB) 15 ges.

aufweist und daß eine Mehrzahl der Reflektoren (31) Es sind verschiedene Anordnungen für das Sammeln

parallel zueinander anbringbar sind. von Sonnenenergie bekannt Bei vielen wird ein Parabolspiegel oder mehrere derartige Spiegel zusammen

mit einem Kollektor angewandt der sich im Brennpunkt

20 befindet Diese Spiegel und Kollektoren bewegen sich üblicher Weise als eine Einheit zwecks Ausrichten auf

Es wird eine Anordnung für das Konzentrieren und die Sonne.

Sammeln von Sonnenenergie geschaffen, bei der eine Bei verschiedenen anderen vorbekannten Anordnun-Mehrzahl seitlich benachbart zueinander vorliegender, gen findet ein stationärer Spiegel oder mehrere Spiegel halbzylinderförmiger, länglicher, konkaver Reflektor- 25 zusammen mit einem beweglichen Kollektor oder KoI-Konzentratoren das Dach eines Hauses, einer Schule lektoren Anwendung. Hierzu gehört eine kugelförmige oder eines anderen Gehäuses, insbesondere eines Ge- Spiegelbauart mit einem beweglichen, mittig im Abbäudes für die Wärmeausnutzung, darstellt Es ist eine stands verhältnis angeordneten Kollektor dergestalt entsprechende Mehrzahl an Kollektoren vorgesehen, daß eine winkelförmig Bewegung um einen Drehpunkt die beweglich im Abstandsverhältnis über und längs der 30 in Abhängigkeit von der Lage der Sonne und der Jah-Abmessung des länglichen Dach-Reflektors getragen reszeit erfolgt. Bezüglich des kugelförmigen Spiegels werden für das Ausführen einer Schwenkbewegung zu findet eine verwickelte Krümmung Anwendung, die sich einer Zone größten Zusammenfließens der von den ent- nur schwierig, kostenspielig und bezüglich der großen sprechenden Dachreflektoren reflektierten Sonnen- Produktion unpraktisch herstellen läßt Gemäß einer strahlen, und zwar aufgrund der Veränderungen des 35 zweiten, zum Stand der Technik gehörenden Anord-Laufweges der Sonne während der verschiedenen Jah- nung, wie in der DE-PA 5 17 417 dargestellt, kommt ein reszeiten und weiterhin für die Berücksichtigung der länglicher, seitlich symmetrischer Parabolspiegel in Antäglichen Sonnenbewegung. Die Bewegung jedes der wendung, wobei dessen waagerechte Brennpunktslinie Kollektoren erfolgt im Gleichlauf, zum Beispiel vermit- direkt senkrecht über dem Mittelpunkt 2 und symmetels Anwenden einer Mehzahl im Gleichlauf arbeitender 40 trisch gegenüber dem länglichen Parabolreflektor vor-Schwenkarme, deren jeder eine Schwenkachse parallel liegt. Um kleine Veränderungen des Sonnenwinkels zu dem Mittelpunkt der Krümmung oder Krümmungen weg von der Senkrechten zu berücksichtigen, wird der der entsprechenden Reflektoren der Dach-Reflektoran- Kollektor sowohl seitlich als auch senkrecht vermittels Ordnung aufweist. Jeder Reflektor weist wenigstens drei eines schwenkbaren Teleskoparms und Nockenfüh-Radien auf, um so eine Anpassung auf breite Verände- 45 rungsanordnung bewegt. Die Kompaßorientierung dierungen der Sonnenwinkel während der verschiedenen ses Systems ist nicht eindeutig im Hinblick auf verschie-Jahreszeiten und während jedes Tages einer gegebenen dene Widersprüchlichkeiten in der Beschreibung. Indesjahreszeit zu ermöglichen, wobei man immer noch eine sen scheint es jedoch, daß in praktischer Hinsicht nur angestrebte Konzentration der Sonnenenergie auf dem eine sehr geringfügige Winkelbewegung der Sonne weg Kollektor erreicht. Die Reflektoren weisen vorzugswei- 50 von der Senkrechten (bei Betrachten von dem Ende des se eine praktisch symmetrische Krümmung und Breite Reflektors und Kollektors) bei diesem System berückum ihre senkrechte mittlere Ebene auf und sind senk- sichtigt werden kann, und gewiß kann nicht das Ausmaß recht nach oben gerichtet unter Ausbilden einer umge- der jährlichen Veränderung des Sonnenwinkels relativ kehrten, modifizierten zykloidartigen Oberfläche. Die zu der Waagerechten berücksichtigt werden. Weiterhin durch den Kollektor gesammelte konzentrierte Sonnen- 55 ist dieses System relativ verwickelt aufgebaut und in energie wird auf ein Strömungsmittel, wie Wasser über- einem erheblichen Ausmaß in einem großen Maßstab führt, das über die Länge des Kollektors geführt wird, im Hinblick auf die Anforderungen an den Führungsund zwar vorzugsweise in einem Rückflußweg längs nocken und den Teleskoparm unpraktisch. Es scheint, desselben, und zwar vermittels einer Pumpe, die einen daß zur Anwendung dieser Anordnung über eine länge-Teil eines Wärmenutzungssystems bildet. Dasselbe 60 re Zeitspanne an Tagen oder Jahreszeiten und sogar kann dem Erwärmen und/oder Kühlen des Gebäudes während großer Veränderungen des Sonnenwinkels und/oder zusätzliche Gebäude oder dergleichen dienen. während einiger Tage des Jahres der Reflektor auch Für die größtmögliche Ausnutzung ist der Reflektor so eine gewisse Kipp- oder Schwenkumorientierung erfahorientiert, daß die längsseitigen Mittelpunkte der Krüm- ren muß zwecks Verändern der Winkellage der Brenntnungsachsen der seitlich benachbarten Reflektoren in e5 lage des Spiegels und dies zusätzlich zu dem Erfordernis Ost-West-Richtung verlaufen, und die wirksamen der Anwendung einer Anordnung aus Nocken- und te-Schwenkachsen für die Kollektoren liegen im Abstands- leskopartigem Kollektor Tragarm,
verhältnis gegenüber der entsprechenden Reflektor- Eine weitere einschlägige Anordnung ist gemäß der