DE2755785A1

DE2755785A1 - Sonnenkollektor

Info

Publication number: DE2755785A1
Application number: DE19772755785
Authority: DE
Inventors: Llorach Alfredo Benlloch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-12-24
Filing date: 1977-12-14
Publication date: 1978-06-29
Also published as: IL53565A; IL53565A0; FR2375557A1; GB1578996A

Description

Sonnenkollektor

Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor. Bei solchen Sonnenkollektoren ist bekanntlich der Grad der Energiegewinnung im Vergleich zu dem Kostenaufwand für Betrieb und Konstruktion des Kollektors von entscheidender Bedeutung. Die bisher bekannten Sonnenkollektoren konnten in dieser Hinsicht nicht befriedigen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, den Wirkungsgrad solcher Sonnenkollektoren zu verbessern.

Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass der Sonnenkollektor wenigstens ein konkaves Oberflächen-Reflektionselement aufweist, das der Sonne zugewendet ist, dass jedes derartige Element die empfangene Energie in einem Brennpunkt konzentriert,in dem ein Kollektor zur Absorption der Sonnenstrahlung angeordnet ist, und dass die von dem Kollektor absorbierte Wärme auf ein Fluid übertragen wird, das innerhalb des Kollektors zirkuliert, in diesen durch Transportmittel hineingeleitet und aus ihm abgeführt wird.

Durch diese Konstruktion wird eine hohe Energieausbeute sowie ' eine vielseitige Verwendbarkeit des Sonnekollektors sichergestellt, wodurch dieser sich von den gegenwärtig verwendeten Solarzellen unterscheidet, bei denen das Temperaturniveau ziemlich niedrig liegt, so dass ihre praktische Verwertbarkeit erheblich beschränkt wird. Im Gegensatz dazu lassen sich mit ; dem erfindungsgemässen Sonnenkollektor hohe Temperaturen mit j Hilfe wirkungsvoller und einfach arbeitender Arbeitselemente j erzielen. Dabei ist zwischen den Arbeitselementen eine spezielle | Verbindungsanordnung vorgesehen, die grundsätzlich aus den folgenden Teilen besteht:

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ORIGINAL IN6PECTED

1. Sonnenenergie-Sammelvorrichtung (reflektierende Oberfläche),

2. Sonnenergie absorbierende Vorrichtung (Fluidbehälter),

3. Vorrichtungen hinter der Energie-Fokussierung,

4. Anwendungs- und Speichervorrichtungen für die gesammelte Sonnenenergie.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische senkrechte Querschnittsansicht der Kollektor- oder Einfangvorrichtung zur Absorntion von Sonnenenergie,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Sonnenenergie-Sammelvorrichtung, die auf einem beweglichen Rahmen angebracht und mit Antriebs- und Nachführelementen versehen ist,

Fig. 3+4 Detailansichten eines Nachführelementes des Energiekerns (Sonne), das fotoempfindliche Elemente verwendet,

Fig. 5 eine Ausführungsform mit verschiedenen Sammlerelementen, die in einem gemeinsamen Rahmen sitzen,

Fig.6+7 eine andere Ausführungsform derselben Anordnung, wobei die Sammlerelemente feststehen und die Absorntionselemente beweglich sind,

Fig. 8 ein vollständiges Schaltbild der Anordnung zur Gewinnung von Sonnenenergie, gemäss der Erfindung,

Fig. 9+10 eine Querschnittsansicht und eine perspektivische Ansicht der reflektierenden Sammlerelemente,

Fig. 11 eine bevorzugte Ausführungsform einer Kombination aus mehreren Sammlerelementen,

Fig. 12 eine schematische Darstellung der Funktionsweise der Anordnung,

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Pig. 13 eine vergrösserte Schnittansicht der Sonnen-

energie-SamiSereinheit,
Fig. I¹I eine schematische Darstellung der Funktionsweise

der Anordnung bei Verwendung mehrere Module , Fig. 15 eine perspektivische Ansicht der Ausrichtvorrichtung

für die Empfänger der Sonnenstrahlung,und Fig. 16 eine perspektivische Ansicht eines vollständig statischen Moduls.

Der in Fig. 1 gezeigte Sonnenkollektor weist einen konkaven Spiegel 1 auf, dessen Oberfläche sphärisch, parapolisch oder dgl. gekrümmt ist und der im Inneren vollständig glatt ist, so dass er reflektiert. Im Brennpunkt dieses Spiegels befindet sich eine Energierabsorptionsvorrichtung, die aus einem Behälter 3 besteht, bei dem diejenige Seite, die dem Spiegel 1 zugewendet ist, aus einem guten Wärmeleiter besteht, der eine geschwärzte Aussenseite aufweist, die nach dem Prinzip des schwarzen Körpers eine maximale Strahlungsabsomtion sicherstellt. Der Behälter 3 besteht auf seiner nicht den Lichtstrahler ausgesetzten Seite aus Isoliermaterial oder ist in irgendeiner Weise mit Isoliermaterial ¹I bedeckt, das an der transparenten Abdeckplatte 2 befestigt ist, um das Ganze zu schützen. Der Behälter 3 steht auf seiner einen Seite mit dem Eintrittsrohr 6 in Verbindung und auf seiner anderen Seite über ein Thermostatventil 5 mit dem Austrittsrohr 7· Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bilden die Rohre 6 und 7 eine Achse, um die die Anordnung 1,2,3 gedreht werden kann, wobei die Rohre 6,7 an dem Rahmen 9 befestigt sind, der seinerseits um eine waagrechte Achse drehbar ist.

Fig. 2 zeigt die ganze Anordnung von Fig. 1, wobei der Rahmen um eine senkrechte Achse bewegbar ist, und die Anordnung 1,2,¹I um eine waagrechte Achse bewegt werden kann. Mit 10 sind der

OWQiNAL INSPECTED

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Einfachheit halber die Antriebselemente bezeichnet, die den Rahmen 9 und die Anordnung 1,2,^4 bewegen und ihrerseits in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch fotoempfindliche Elemente 11 gesteuert werden, wie dies im folgenden anhand der Fig. 3 und l\ erläutert werden wird.

Die Vorrichtung arbeitet wie folgt. Spiegel 1 wird auf die Sonne gerichtet, so dass das ganze Licht, das auf seine Oberfläche einfällt, so reflektiert wird, dass die Strahlen in seinem Brennpunkt konvergieren, also zusammentreffen, wo die geschwärzte Seite des Behälters 3 liegt, um die empfangene gesamte Strahlung in Wärme zu verwandeln. Diese Wärme wird auf das Fluid, das gewünschte Eigenschaften aufweist, im Inneren des Behälters 3 übertragen. Dieses Fluid wird durch das Eintrittsrohr 6 zugeführt und so lange erwärmt, bis es die Tempe latur erreicht hat, die erforderlich ist, um das Thermostatventil 5 zu öffnen. Das auf diese Weise erwärmte Fluid kann dann durch das Austrittsrohr 7 den Sonnenkollektor verlassen, um im folgenden als Wärmequelle zu dienen.

Um Energieverlust durch Strahlung zu vermeiden, ist der Behälter 3, wie oben erläutert, auf derjenigen Seite, die nicht dem Sonnenlicht ausgesetzt ist, das durch die konkave Oberfläche 7 konzentriert wird, durch eine Wärmeisolierung 4 geschützt, die den Wirkungsgrad der Anordnung verbessert.

Damit die Sonnenstrahlen ständig von der konkaven Oberfläche 1 auf den Behälter 3 reflektiert werden, wird bei allen Ausführungsformen die gesamte Anordnung automatisch in bezug auf die Sonne durch die fotoempfindlichen oder lichtempfindlichen Elemente 11 fokussiert (Fig.2,3+^). Diese lichtempfindlichen Elemente sind auf der Anordnung 1,2 paarweise gegenüberliegend plaziert und bilden einen kleinen Winkel "a" mit der optischen Achse der reflektierenden Oberfläche 1 (Fig.3), so dass der

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Lichtstrom der Sonne dicht mit der optischen Achse der reflektierenden Oberfläche 1 zusammenfällt. Dadurch ergibt sich eine unterschiedliche Beleuchtung der lichtempfindlichen Elemente jedes Paares. Dieser Beleuchtungsunterschied wird durch einen geeigneten Verstärker 12 vergrössert und wirkt auf den Differenzialkontaktgeber 13, um dadurch das Antriebselement 10 im richtigen Sinne in Gang zu setzen, mit dem Ziel, den Beleuchtungsunterschied zu beseitigen. Wenn dies geschehen ist, wird das Antriebselement 10 durch den Differenzialkontaktgeber 13 wieder stillgesetzt, da nunmehr eine präzise Fokussierung in bezug auf die Sonne erreicht ist. Diese Bewegungen werden so oft wiederholt, wie dies erforderlich ist, so dass im Lichtbrennpunkt (der Sonne) automatisch gefolgt werden kann und diese Bewegung ständig unmittelbar von der Vorrichtung selbst durch die lichtempfindlichen Elemente 11 gesteuert wird.

Es könnte auch eine mechanische, elektromechanische oder elektronische Vorrichtung für den oben beschriebenen Zweck vorgesehen werden, welche unter Berücksichtigung: der den täglichen Sonnenlauf steuernden Faktoren (Stunde, Tag, Monat, örtliche geographische Breite) automatisch und regelmässig dem Lauf des Gestirns folgt und ständig eine genaue Fokussierung bewirkt.

In Fig. 5 ist eine Ausführungsfonn dargestellt, bei der mehrere reflektierende und absorbierende Elemente Verwendung finden, die alle in demselben Rahmen 9 angeordnet sind und von einem einzigen Antriebselement 10 mit Hilfe eines Hebels 1Ί angetrieben werden, der in nässender Weise an jedem reflektierenden Element angelenkt ist. Der Rahmen 9 wird seinerseits durch ein eigenes Antriebselement bewegt, wodurch alle reflektierenden Elemente gleichzeitig fokussiert werden.

In den Fig. 6 und 7 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Sonnenkollektors dargestellt, bei der die reflektierenden Oberflächen 1 eine fixe Stellung beibehalten, und zwar unter einem Winkel, der nahezu demjenigen des örtlichei

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Meridians entspricht, so dass die Sonnenscheinperiode maximal ausgenutzt wird. Bei dieser besonderen Ausführungsform wird aufgrund der Tatsache, dass die reflektierende Oberfläche stillstehen bleibt, die konzentrierte Strahlungsenergie der Sonne in jedem Augenblick während des Sonnenlaufs über den Himmel in einem Brennpunkt auf der Sekundärachse plaziert, die jederzeit durch die Relativlage des Sonnenstrahlenreflektors vorhanden ist. Somit werden aufgrund einer konstanter Lageänderung des Bildes der Sonne, das von jedem reflektierenden Element erzeugt wird, bei der besonderen Ausführungsform die Energie absorbierenden Behälter 3 in jedem Augenblick im Bild der Sonne angeordnet, das von jedem reflektierenden Element 1 erzeugt wird, und zwar dadurch, dass die Behälter 3 mit Hilfe von bei 15 gezeigten programmierten Systemen bewegt werden, die alle in Betracht kommenden, oben erläuterten Faktoren berücksichtigen und die Behälter durch entsprechende mechanische Verbindungen antreiben. Bei den in den Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispielen werden die absorbierenden Elemente zusammen mit ihren Thermostatventilen 5 gleichzeitig durch die Systeme 15 angetrieben, und zwar aufgrund der Rohre 6,7, die eine Art Gitter bilden und sowohl die Elemente 3 und 5 versorgen.als sie auch haltern, so dass diese ständig durch die Systeme 15 in ihrer richtigen Stellung gehalten werden.

Die obige Verfahrensweise eignet sich vor allem für geneigte Dächer, und ihre Vorrichtung lässt sich aufgrund des geringen Gewichtes der beweglichen Teile sehr leicht aufbauen. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen, so kann auch hier ein transparenter Schutzdeckel 2 auf die Vorrichtung aufgesetzt werden. In allen dargestellten Fällen wird am Austritt des Rohres 7 ein Fluid oder spezieller eine Flüssigkeit erhalten, die zumindest auf die Öffnungstemperatur der Thermostatventile 5 erwärmt ist und sich zur Verwendung als Wärmequelle eignet.

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Um eine maximale Ausbeute und den weitest möglichen Anwendungsbereich zu erhalten, lässt sich anstelle der Wasserumwälzung durch das gesamte System, wie dies bei den gegenwärtig benutzten Solarzellen üblich ist, eine Flüssigkeit durch das System umwälzen, die einen ziemlich hohen Siedepunkt hat sowie einen guten Wärmekoeffizienten und. darüberhinaus die Materialien, aus denen das Kreislaufsystem besteht, nicht angreift. Eine solche Flüssigkeit könnte ein Mineralöl oder ein synthetisches öl sein.

Diese Flüssigkeit wird nach ihrer Erwärmung in den Behältern durch das Rohr 7 mit Hilfe der Pumpe 18 (Fig.8) sowie der Ventile 17 entnommen, um entweder direkt zur Erwärmung zu dienen (Rohre 20) oder eine Heisswasserquelle 21,22 zu versorgen, die üblicherweise mit Hilfe von Ventilen und eines Thermostaten geregelt wird. Die Ventile 16 und 17a steuern die Zufuhr der erwärmten Flüssigkeit, und nach Deckung des unmittelbaren Bedarfs bringen sie den Flüssigkeitsstrom hoher Temperatur in den Vorratsbehälter 18a, der bei 19 wärmeisoliert ist und als Wärmereserve für die Nacht oder bewölkte Tage dient, wenn die Thermostatventile 5 überhaupt keine Flüssigkeit durch die Energiesammlereinheit durchlaufen lassen, da die Flüssigkeit nicht die erforderliche Temperatur erreicht.

Es versteht sich, dass eine vorhandene Flüssigkeit, die sich auf einer hohen Temperatur befindet, viele Arten von Verwendungszwecken zugeführt werden kann, und zwar sowohl im häuslichen als auch im industriellen Bereich, also beispielsweise zu Heizzwecken dienen kann, ferner zur Erzeugung von warmer Luft, warmem Wasser für sanitäre Zwecke, ferner auch zur Speisung elektrischer Generatoren, grundsätzlich also für alle möglichen technischen Anwendungsfälle, die sich dann ergeben, wenn eine Wärmequelle zur Verfügung steht.

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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des hier beschriebenen Sonnenkollektors wird besonderes Augenmerk auf die Gestalt der reflektierenden Oberflächen gerichtet, so dass ein maximaler Reflektionswirkungsgrad und maximale Ausnutzung der aktiven Oberfläche erreicht werden, wobei die reflektierenden konkaven Oberflächen, und zwar sowohl die beweglichen als auch die fixen, konkave Elemente sind, die gewöhnlich Kugelschalen 1' (Fig.9) mit geeignetem Krümmungsradius und einem adäquaten Segmentwinkel <a bilden. In die Kugelschale ist ein Polygon eingesetzt - im vorliegenden Fall ein Quadrat -, das entlang der Vorsprünge auf den Seiten des Polygons beschnitten ist, wodurch Elemente erhalten werden, wie sie in Fig. 10 dargestellt sind, so dass die Seiten der Kugelschale nach dem auf diese Weise erfolgten Beschneiden mit den benachbarten Teilen zusammenpassen, ohne dass ein Verlust an reflektierender Oberfläche bei gleichbleibender Gesamtgrösse eintritt (vgl. zwischen den Fig.7 und 11).

Im Falle von stationären reflektierenden Oberflächen bildet die reflektierende Anordnung eine Art Tafel mit Kohlräumen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel Kugelschalen sind, welche sich entlang der vorspringenden Seiten des gewählten Polygons schneiden, wobei im vorliegenden Fall das Polygon ein Quadrat

Jeder Hohlraum projeziert das auf seine Oberfläche auftreffende Licht in Richtung eines Brennpunktes A (Fig.12), der seine Lage entsprechend dem Einfallwinkel des Sonnenlichts über der Oberfläche der Tafel ändert. Dieser Punkt wird als Brennpunkt A' in einer imaginären Kugelschale B-C angesehen, die konzentrisch zu der reflektierenden Kugelschale liegt und deren Radius halb so gross ist wie der Radius der reflektierenden Kugelschale, und zwar gemäss den hier geltenden Gesetzen der Optik.

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Zum Schütze der Spiegeloberfläche lässt sich jedes transparente Schutzelement verwenden, das in Fig. 12 mit 23 bezeichnet ist und beispielsweise ein Lack, eine Plastikplatte, etc. sein kann. Die reflektierende Tafel kann auch selbst aus einem transparenten Material bestehen, wie Glas, Kunststoff, etc., das auf der Unterseite metallbeschichtet ist und danach mit einem passenden Material gegen Verwitterung geschützt ist, um auf diese Weise die hohe Leistung der reflektierenden Oberflächen 1 zu erhalten. Ein Loch 2h am Boden der reflektierenden Schale ermöglicht das selbständige Ablaufen von Wasser und Schnee.

Was den Aufbau der Kollektorgehäuse 3 für die Sonnenstrahlung anbelangt, ist festzustellen, dass zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades der Anordnung und zur Vermeidung von Verlusten durch Reflektion, Strahlung, Konvektion oder Wärmeübertragung von dem Kollektor diese Behälter, wie aus Fig. 13 ersichtlich, aus einer Anzahl Elementen bestehen, deren Aufgabe es ist, ein Entweichen der gesammelten Wärme weitgehend zu verhindern. Das Grundprinzip besteht darin, den Sammlerteil zu isolieren, d.h. den einen Strahl von dem reflektirenden Element aufnehmenden Teil, und zwar mit Hilfe einer doppelten, transparenten Hülle 25, in der ein Vakuum erzeugt wird, um Verluste durch Konvektion und Leitung zu vermeiden. Eine solche Hülle weist im Inneren einen Quecksilberüberzug 26 auf denjenigen Teilen auf, die den Lichtstrahl H,H',H¹¹ nicht empfangen, und zwar ähnlich der Auskleidung eines Dewar-Gefässes, sowie einen reflektierenden überzug 27, der für die langwellige Strahlung (Infrarot) selektiv ist, jedoch transparent für kurzwellige Strahlung (sichtbares Licht und Ultraviolett),und zwar innerhalb der beschriebenen Hülle, die die von dem Reflektor konzentrierte Strahlung empfängt. Der Behälter 3 ist ein guter Leiter und besitzt einen überzug, der Strahlung absorbiert

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(schwarzer Körper) und sitzt im Inneren der Wärmeschutzhülle, wobei sein nicht aktiver Teil 3' in ähnlicher Weise durch ein Dewar-Element 25' zur Vermeidung von Wärmeabfluss geschützt ist. Solche schützenden Elemente, die im allgemeinen aus Glas hergestellt sind, sind in geeigneter Weise durch einen stabilen Mantel 28 geschützt, der auf.seiner dem reflektierten Sonnenlicht ausgesetzten Seite einen transparenten Teil 28' aufweist. Geeignete öfffiurgen, die sowohl in die Hülle und den Mantel als auch in den thermischen Schutz (Dewar-Elemente) eingeschnitten sind, dienen zum Durchgang der Rohre 6 und 7, die eine Wärmeisolierung 29 tragen und zum Zuführen bzw. Abführen des erwärmten Fluids aus dem Behälter 3 dienen. Im Inneren des Behälters kann ein Thermostat 5 angeordnet werden, der den Durchfluss des erwärmten Fluids ermöglicht, sobald das Fluid die Temperatur erreicht hat, auf die es durch den Thermostat eingeregelt wird.

Um Verluste durch Reflektion der auf dem Kollektor fokussierten Strahlung zu vermeiden, sind das Kollektorgehäuse 3 und seine transparenten Hüllen 25 und 28' auf den Seiten, die der reflektierten Strahlung zugewandt sind, sphärisch gekrümmt, wobei jede Hülle in bezug auf einen Mittelpunkt F konzentrisch angeordnet ist, der immer mit dem Brennpunkt zusammenfällt, in den die von dem entsprechenden konkaven Element reflektierten Strahlen gelenkt werden, so dass bei jeder beliebigen Lage des Brennpunktes die reflektierten Strahlen lotrecht zu der Oberfläche der transparenten Elemente und des die Strahlung absorbierenden Elementes verlaufen, wodurch Verluste durch Reflektion auf ein Mindestmass beschränkt werden.

Auf diese Weise dient die beschriebene Hülleais Wärmefalle, die das Eintreten der Strahlung ermöglicht, welche beim Auftreffen auf den schwarzen Körper in Wärme verwandelt wird, jedoch ein Austreten der Strahlung durch Konvektion und Wärmeleitung aufgrund der modifizierten Dewar-Auskleidung verhindert, wobei

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die Strahlung auch dadurch vermieden wird, dass die Wärme mit Hilfe des selektiven reflektierenden Überzugs 27 noch einmal auf den schwarzen Körper reflektiert wird.

Was das Wärmetransportfluid anbelangt, so sollte dies vorzugsweise suspendierte oder gelöste wärmeabsorbierende Teilchen, beispielsweise Graphit oder Kohlenstoff, mit sich führen oder irgendein anderes Material, das sich für diesen Zweck eignet, oder es sollte selbst ein Fluid sein, dessen Eigenschaften ähnlich denjenigen des schwarzen Körpers sind, so dass es als direkter Strahlungsabsorber dienen kann, und zwar mit geringem Wärmeverlust, da die Umwandlung des empfangenen Sonnenlichts in Wärme durch das Fluid selbst erreicht wird. In diesem Falle ist der Behälter 3 auf der den Sonnenstrahlen zugewandten Seite mit einem transparenten, hitzebeständigen Abschnitt versehen, der den schwarzen Körper oder absorbierenden Teil ersetzt, so dass die Lichtstrahlen durch das absorbierende Fluid, das im Inneren des Behälters zirkuliert, absorbiert und in Wärme verwandelt werden können.

Was die Vorrichtung zur Ausrichtung der Strahlungskollektoren im Falle von statischen Reflektoren anbelangt sowie zu einer simultanen Nachführung des von jedem konkaven Element in der Platte reflektierten Sonnenbrennpunktes, um dadurch alle sammelnden Behälter unabhängig von dem Einfallswinkel der Sonnenstrahlung auf der Platte in der geeigneten Stellung zu halten, so ist festzustellen, dass vorzugsweise ein Kopf 30 (Fig.I¹*) mit vier lichtempfindlichen Elementen 31,32,33,3¹I verwendet wird, die rund um die geometrische Achse X-Y des Kopfes 30 angeordnet sind, und dass die lichtempfindlichen Elemente in bezug auf die Achse X-Y in zwei lotrecht aufeinanderstehenden Ebenen einen Winkel ß (Fig. 15) bilden, so dass dann, wenn der Kopf so angeordnet wird, dass seine Achse X-Y in Richtung auf die Sonne zeigt, alle lichtempfindlichen Elemente im Kopf die gleiche

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Lichtempfindlichkeit aufweisen. Dies wäre nicht der Fall, wenn die Achse X-Y nicht mit den Sonnenstrahlen zusammenfallen würde. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Winkel ß positiv, er könnte aber auch negativ sein.

Der Kopf ist so drehbar angelenkt, dass er sich in alle möglichen Richtungen ausrichten lässt, wobei im vorliegenden Fall als Konstruktionsbeispiel eine Anordnung vorgesehen ist, die aus einer in einer Gabel 36 endenden Achse 35 besteht, welche in der senkrechten Ebene eine Drehbewegung ausführt, wodurch der Kopf 30 in einer Ebene drehbar ist, die lotrecht zur erstgenannten Ebene liegt.

Die lichtempfindlichen Elemente sind paarweise gegenüberliegend verbunden und durch passende Differenzialanschlüsse und Ausrüstungselemente an den Motoren 37 und 38 angeschlossen, die den Kopf 30 entlang seiner beiden Achsen 37' und 38' antreiben, so dass die Achse X-Y ständig in Richtung auf den Lichtbrennpunkt (Sonne) zeigt.

Ein wesentliches Merkmal besteht darin, dass der Drehungsmittelpunkt 39 (Fig.14) des Kopfes 30 sich in derselben Ebene befindet wie die Krümmungsmittelpunkte 40,41 und 42 der Kugelschalen 1', die die Platte 43 bilden, so dass bei Verlängerung der Achse des Kopfes 30 entlang dem Stab 44 und dessen Anlenkung an dem Tragelement 44 für die verschiedenen Wärmesammlergehäuse 3, die den reflektierenden konkaven Flächen der Platte entsprechen, wobei der Abstand zwischen den Anlenkpunkten 39,46 der Stange 44 und dem Träger der Wärmesammlergehäuse gleich dem halben Radius der die Platte bildenden Kugelschalen ist, wenn der Kopf 30 mit Hilfe der oben erwähnten Vorrichtung auf die Sonne ausgerichtet wird, die Wärmesammlergehäuse 3,3', 3^ff automatisch in ihren entsprechenden Brennpunkten plaziert werden, und zwar unabhängig von dem Einfallswinkel der Sonnenstrahlen in bezug auf die Hauptebene der reflektierenden Platte.

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Geeignete Befestigungstützen 47,48 weisen in passenden Stellungen alle Anlenkpunkte des Systems auf, das auch von einer transparenten Haube abgedeckt werden kann.

In bezug auf die Ausbildung und Anordnung der oben genannten Elemente sind selbstverständlich Abänderungen möglich. Das Gleiche gilt für die Lage der Motoren und der lichtempfindlichen Elemente im Hinblick auf ihr Lichtaufnahmevermögen mit Hilfe herkömmlicher optischer Elemente.

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Anordnung wird durch die Möglichkeit zur Reinigung der reflektierenden Oberflächen geboten. Solche Reinigungsmittel können als Rohrleitung 49 (Fig.13) innerhalb der Isolierung 29 der Rohre 6 und 7 vorgesehen werden, die als Ring 49' das Sammlergehäuse 3 umgibt , wobei auch Löcher 50 in der isolierenden Hülle vorgesehen werden, um die Abgabe von Sprühstrahlen auf die reflektierenden Oberflächen der Kugelschalen zu erleichtern.

Fig. 16 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Sonnenkollektors, bei der sowohl die reflektierende Kugelschale 1 ' ' als auch der Kollektor 3a still

stehen. In diesem Fall weist der Kollektor 3a eine gekrümmte Form auf, die konzentrisch zur Kugelschale ausgebildet ist und an deren Enden Rohre 6 und 7 angeschlossen sind.

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Claims

PATENTANWALT? PATENTATTORNEYS TISCH ER Λ KERN con se ils en brevets

ALBERT-ROSSHAUHTER- STRASSE 05

D - βΟΟΟ MÖNCHEN 7O _Ä

WEST- GERMANY

TiSCHtIt « Ki(N · ALiiiT-aottHAumii-STii. 6S · D-· mOnchin 70 DIPL.-INC. HERBERT TISCHER

DIPL.- INC. WOLFCANC KERN

TELEFON (089)7605520 TELEX 5-212984 P»« d

TELEC RAMM/CABLE

KERNPATENT MUENCHEN

IM« ZIICHIN. UN(IIIZIICHINi ΒβΠ"6379 DATUMi

^YOU··"·· ^ou'"^Ft §-lz ^OATI' 13. Dezember 1977

set* irη Dir.·

Alfredo Benlloch Llorach Bellavista Street 17 B

San Antonio Abad/Ibizza

Sonnenkollektor

Patentansprüche

Sonnenkollektor mit wenigstens einem konkaven Oberflächenreflektionselement, das der Sonne zugewendet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes reflektierende Element (1) die empfangene Energie in einem Bildpunkt (Brennpunkt) konzentriert, in dem ein Sammler (3) zur Absorption der Sonnenstrahlung angeordnet ist, und dass die von dem Sammler (3) absorbierte Wärme auf ein Fluid übertragen wird, das innerhalb des Sammlers zirkuliert und durch Transportelemente (6,7) in ihn eingeleitet bzw. aus ihm abgeführt wird.

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POSTSCHECKKONTO MONCHIN NU. HSI 47-609 CHZ 700 100 SOI MONCHNER IANK. MÖNCHEN. KONTO NR. 60 399 HLZ 701 901 COl
2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenreflektionselement (1) für die Sonnenstrahlung in einem beweglicher. Rahmen (9) angeordnet ist, der automatisch demLauf der Sonne nit Hilfe einer Vorrichtung (11) folgt, um das Bild der Sonne konstant auf den Sonnenenergie absorbierenden Kollektoren (3) zu halten.
3. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenreflektionselement (1) fest angeordnet bleibt, und dass die Sonnenstrahlen sammelnden Kollektorbehälter (3) sich automatisch mit Hilfe eines Nachführ --Systems (10,11,12,13) in den Brennpunkt des Sonnenlichtes rückt, der jederzeit von jeder Oberfläche erzeugt wird.
b. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (3) zur Absorbtion von Sonnenenergie aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt ist, das auf seiner dem konzentrierten Strahl, der von der reflektierenden Oberfläche (1) kommt, ausgesetzten Seite die Sonnenstrahlung vollständig absorbiert (schwarzer Körper) und das auf derjenigen Seite, die keine Sonnenenergie sammelt, thermisch isoliert.
5. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (3) zur Absorbtion von Sonnenenergie am Fluidaustritt (7) mit einem Thermostatventil (5) versehen ist, das den Auslauf von durch fokussierte Sonnenstrahlen erhitztem Fluid so lange verhindert, bis das Fluid die für die Verwendung adäquate Temperatur erreicht hat.
6. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Wärme absorbierenden Behälter (3,3',3a) zirkulierende Fluid aufgrund der hohen Temperaturen, die durch den Lichtbrennpunkt erreicht werden, eine Flüssigkeit mit einem hohen Siedepunkt ist.

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7. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachführen des Strahlungsbrennpunktes (die Sonne) automatisch mit Hilfe eines Systems (30,31j32,33,3¹O erreichbar ist, das aus mechanischen, elektrischen oder lichtempfindlichen Elementen besteht, so dass jederzeit das Bild der Sonne, das von dem reflektierenden Element (1,1') reflektiert wird, auf den entsprechenden Energieabsorbtionsbehälter (3,3',3a) projezierbar ist.
8. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Sonnenenergie absorbierenden Behälter (3,3',3a) erwärmte Fluid mit Hilfe einer aus Ventilen (17) und einer Pumpe (18) bestehenden Vorrichtung der direkten Verwendung zu Heizzwecken zur Erzeugung von warmem Wasser, Dampf, Warmluft und Durchführung anderer technisch durch Wärme bewirkbarer Massnahmen zuführbar ist, wobei das Fluid in einen wärmeisolierten Behälter (l8a) förderbar ist, um die gesammelte Energie für spätere Verwendungszwecke, wenn der Sonnenkollektor infolge witterungsbedingter Einflüsse nicht arbeitet, zu speichern.
9. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (17) für die Verteilung des erwärmten Fluids durch einen Thermostat steuerbar sind, der sich entweder in dem Verteilernetz des Fluids selbst befindet oder in Form eines atmosphärischen Thermostaten vorhanden ist oder in irgendeinem der verwendeten Elemente eingebaut ist.
10. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konkaven reflektierenden Elemente (1') durch Schnitte längs der Projektion eines in die konkaven Elemente einbeschriebenen Polygonais hergestellt sind, so dass die Seiten der auf diese V/eise beschnittenen konkaven Elemente zu ihren benachbarten Gegenstücken passen, um eine Tafel mit Hohlräumen zu bilden, die sich gegenseitig längs der Projektionen der Seiten des ge-

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gewählten Polygonais schneiden, und zwar ohne Verlust an reflektierender Oberfläche, wenn die äusseren Abmessungen konstant bleiben.
11. Sonnenkollektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Hohlraum am Boden mit einem Ablaufloch (24) für Wasser oder andere Flüssigkeiten oder Schnee versehen ist.
12. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung absorbierenden Elemente (3^!) auf ihrer nicht der Energiesammlung dienenden Seite mit einer Isolierung in Form einer doppelwandigen transparenten Hülle (25,28') versehen sind, in der ein Vakuum erzeugt wird und die auf der Innenseite mit einer Silberbeschichtung (Dewar-Gefäss) versehen ist und auf ihrer Energiesammeiseite mit einem ähnlichen Element, wobei auf der dem Sonnenlicht zugewendeten Seite anstelle einer Silberbeschichtung ein selektiver, reflektierender überzug (27) angebracht ist, der den Durchgang von kurzwelligen Strahlen des Sonnenspektrums (sichtbares Licht und ultraviolette Strahlung) ermöglicht und die grösseren Wellenlängen (Infrarot) reflektiert.
13· Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Elemente, die den von dem Strahlungssammler (3,3') reflektierten Sonnenstrahlen ausgesetzt sind, konzentrische Kugelschalen sind, deren Mittelpunkt im Brennpunkt des entsprechenden reflektierenden Elements (1,1*) liegt, so dass die von dem reflektierenden Element reflektierten Strahlen lotrecht auf die Oberfläche des Sammlers fallen und dadurch Reflektionsverluste vermeidbar sind.

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m. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmetransportierende Fluid eine Suspension oder Lösung Strahlung absorbierender Elemente enthält und/oder aus einem Material zusammengesetzt ist, das die Eigenschaften eines schwarzen Körpers aufweist, wobei dann das absorbierende Element (3,3') bezüglich seines absorbierenden Teils, der den reflektierten Lichtstrahlen ausgesetzt ist, durch ein hitzebeständiges, transparentes Material ersetzbar ist, so dass die Lichtstrahlen von dem Fluid selbst, das als schwarzer Körper wirkt, absorbierbar und in Wärme umsetzbar sind.

15· Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis I¹I, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle von stationären reflektierenden Elementen (l,l^f) die Nachführung und Fokussierung der Strahlungssammler (3,3') durch einen Kopf (30) erreichbar ist, der mit lichtempfindlichen Elementen (31,32,33,3¹O ausgerüstet ist, die wahlweise mit optischen Einrichtungen gekoppelt sind.

16. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmittelpunkt des Kopfes (30) sich in derselben Ebene befindet, die auch die geometrischen Mittelpunkte der Kugelschalen (1,1',1¹M enthält, welche die reflektierende Platte bilden.

17. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (30) seine Bewegung auf die die Strahlungsammler (3,3') tragenden Elemente überträgt.

18. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (39-^6) zwischen dem Bewegungsmittelpunkt des Kopfes (30) und dem Anlenkpunkt des die Bewegung auf die die St rahlungs sammler (3,3^f,3") tragenden Stützen (*l7_$k8) übertragenen Elements gleich dem halben Radius der Kugelschale der reflektierenden Elemente der Platte ist, um

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durch Anschluss-und Befestigungselemente eine konstante automatische Fokussierung des von den reflektierenden Elementen der Platte auf die Sammlerelemente (3,3*»3¹¹) reflektierten Lichts zu erreichen.

19. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis l8, dadurch gekennzeichnet, dass zum automatischen Waschen der reflektierenden Oberflächen (1,1',I*') eine Rohrleitung (^3) dient, die rund um die Strahlung absorbierenden Elemente verläuft und mit Durchganslöchern (50) zum Besprühen der Oberflächen versehen ist.

20. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Vorrichtung aus einem reflektierenden Element und einem absorbierenden Element aufgebaut ist, beide stationär sind, wobei das absorbierende Element eine Hülle bildet, die konzentrisch zur Oberfläche des reflektierenden Elementes angeordnet ist.

809826/0679