DE2802167A1

DE2802167A1 - Solar-anlage zur totalen ausnutzung der sonnenenergie, fuer den universellen (allgemeinen) gebrauch, an jedem standort, durch gleichlaufautomatik zur sonnenbahn

Info

Publication number: DE2802167A1
Application number: DE19782802167
Authority: DE
Inventors: Karl Christ
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-01-19
Filing date: 1978-01-19
Publication date: 1979-07-26

Description

Beschreibung
SOIAR-Anla!~~~~r totalen Ausnutzung der Sonnen enerLffii.e , für den universellen Gebrauch, an jedem Standsort, durch Gleichlaufautomatik Vorbemerkung: zur Sonnenbahn.
Die Heranziehung der Sonnenenergie für die große Nasse der Energieverbraucher, ist aus bekannten Gründen aktuell und zwin-;ead geworden.
Die bisher ausgeführten Anlagen für den Kleinverbraucher, sind hauptsächlich auf Neubauten zugeschnitten und die Kollektoren sind meist ins Hausdach einbezogen - also stationär - und können demzufolge nur einen Teil der Sonnenenergie eines Sonentages, optimal aufnehmen, umwandeln oder zum Verbraucher leiten.
Wenn eine solche stationäre Anlage neigungsgerecht nach Süden ausgerichtet ist, erreicht sie trotzdem ihre volle Leistung nur innerhalb eines kurzen Zeitraums im Jahr, nämlich dann, wenn die Sinstrahlung, durch Sonnenwinkel, nach Höhe und Richtung bedingt, genau senkrecht zur Kollektorfläche, erfolgte-Jede jahres- und tages zeitliche Veranderung des Sonnenstandes und die Sonnenscheindauer, verursachen einen abfallenden oder gar ausfallenden Energiegewinn.
Die hohen Kosten einer solchen Anlage, stehen in einem Mißverhältnis zum tatsächlichen Nutzen und zur gedachten Einsparung an Energie aus Erdöl, Erdgas und Kohle.-Der Stand der Technik läßt nicht erkennen, daß ausser Groß-Versuchsanlagen, Systeme vorliegen, die dem Normalverbraucher ermöglichen, für seinen Wärmebedarf, jederzeit, ob Sommer oder Winter, ob morgens oder abends (also von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang), die gerade zur Verfügung stehende Strahlungswärme der Sonne, total zu erfassen und zu verdichten, und nutzbar werden zu lassen.-Die hier beschriebene Erfindung soll die vorher aufgezeigten Mängel stationärer Sonnenenergiesammleranlagen, weitgehend ausschliessen und durch ihre Konstruktion, Anordnung und Automatik bewirken, daß jederzeit, jederorts, jeder Sonnenstrahl, in Verbrauchsenergie umgewandelt werden kann; sei es über direkt bestrahlte Wärmerohre mit Flüssigmedien, sei es über reflektorbestrahlte Wärmerohre mit Flüssig- oder Gasmedien; oder sei es über Solarzellen zur Gewinnung von elektrischer Energie.
Die Neuheit und der Fortschritt bestehen darin, daß die Vorrichtung zum totalen Auffangen von Sonnenenergie a) aufgestellt werden kann, sowohl auf Hausdächern von Neu- oder Altbauten, als auch in Vorgärten, auf Garagen, auf Nebengebäuden und Scheunen, Flachdächern, Penthäusern und 3achgärten; b) unabhängig von Dachneigungen, Dachkonstruktion, Dachrichtung und Standort der Verbrauchsanlage wird; c) daß durch den sensorgesteuerten automatischen Mitlauf zur Sonnenbahn und durch die automatische Einstellung der Kollektorfläche senkrecht zur Sonnenhöhe, immer die optimale Ausnutzung der Strahlungskapazität gewährleistet ist; d) daß durch den hohen Wirkungsgrad zu jeder Jahreszeit ein rentabler Energiezuwachs entsteht, der durch Wärmepumpen ergänzt, bestehenden Heiz- und Wärmeanlagen zugeschaltet, deren seitherigen Energiespender auf erträglichen Aufwand senkt; e) daß der höhere Energiegewinn aus der Flächeneinheit, kleinere Anlagen und niedrigere Gewichte, oder größere Verbraucher zuläßt; Beschreibung f) daß durch ein Baukastensystem am Kollektor erreicht wird, Zusatzkapazitäten für den erweiterten Wärmebedarf von Wohnungen, Treibhäusern, Schwimmbecken, Landwirtschaften und Gewerben, zu gewinnen und die Anla-en für jede Bedarfsgröße zu planen; g) bei Sturm- oder Winddruck über dem anlageeingenen Sicherheitsfaktor, eine automatische Einstellung auf den geringsten Widerstand erfährt und auch jederzeit mechanisch in die gewünschte Stellung, bezw. Stillstand, gebracht werden kann; h) außer durch Sensoren und Elektronik, auch digitalprogrammgesteuert werden kann, um bei jeder Wetterlage, optimal justiert und empfangsbereit zu sein; i) durch ihren hohen Wärmegewinn in der Lage ist, überschüssige Wärmekapazität für längere zeit zu speichern, sodaß sonnenarme Zeiten, nahezu überbrückt werden können, bezw. Wärme für andere Zwecke zur Verfügung steht; k) nach jedem .System ausgelegt werden kann, wenn der hier schutzbeanspruchte Reflexionskollektor, nicht verwendet werden soll; 1) einen Hochleistungskollektor aufweist, der ausser der direkten Sonnenstrahlung senkrecht zum Wärmerohr, durch Sammlung der vorbeigehenden iarmestrahler in einer spiegelnden Fazettenschale und deren Ablenkung, bis unter das Wärmerohr, welches im Brennpunkt der Strahlen liegt, an das flüssige Medium im Wärmerohr eine Temperatur abgibt, die maximal mit ca 160° C, in den Kreislauf zum Wärmeaustausch gedrückt wird; m) durch geeignete Schalt- und Förderelemente, entsprechend ssärmeenergieaufkommen und jeweilige Energiebedarf, mit verschiedenen Energieverbrauchskreisen automatisch koordiniert werden kann und einen hohen Wirkungsgrad Iiinterlä ßt Beschreibung: Anlageaufbau - Charakteristik: sie Anlage besteht in jedem all aus einem festen Drehschemel (1), der nach Abb. 1 auf Gebäudedächern angebracht ist und nach Abb. 2 im Gelände verankert werden kann.
Darüber steht der drehbare Trägermast (2), der nach Abb. 1 relativ kurz ausgeführt werden kann und nach Abb. 2 , aus Sicherheitserfordernissen, entsprechend langer (höher) auszuführen ist.
Der Trägermast (2) ist vertikal gelagert an einem unter dem Drehschemel (1) verankerten Hohlmast (3) und kann sich um diesen zunächst frei drehen.
Auf dem Trägermast (2) ist das Schwenklager (4) montiert und an dessen beweglichen Teil ist der jeweils ausgewählte Kollektor (5) zum Einfangen der Sonnenenergie, angebracht.
Das Gewicht der drehbaren Anlage (2, 3, 4, 5), wird auf dem Drehschemel (1) von dem Axiallager (2a) aufgenommen und die Seitendrücke werden von den Distanzlagern (2b) aufgefangen.
Die Kollektoranlage (5) kann nun mit der Sonnenbahn gedreht werden und senkrecht zur Sonnenhöhe eingerichtet werden.
Um die Drehbewegung synchron zur Sonnenbahn zu steuern, ist im Drehschemel (1) der Antrieb (9) angebracht, der sowohl manuell-mechanisch als auch elektro-mechanisch oder elektronisch-nechanisch, einzeln, bezw. in Kombinatiort der Varianten, ausgeführt werden knn. Beschreibung Zum Einrichten der Kollektorfläche (5) senkrecht zur jeweiligen Sonnenhöhe, ist das Schwenklager (4) mit dem Antriebsaggregat (11) verbunden. Dieser Antrieb (11) kann ebenso, wie Antrieb (4), einzeln von Hand oder elektro-mechanisch in Arbeits- oder Ruhestellung gebracht werden oder automatisch durch Programm gesteuert werden, bezw. können beide Antriebsbewegungen über Sensoren (12) oder ähnliche Instrumente, aurch die direkte Sonnenstrahlung bewirkt werden und die optir.ale Energieaufnahme fixieren.
Zur Verhinderung von Beschädigungen durch uncJewöhnliche Viindverhältnisse, ist der druckintensive Schnellregler (10) mit der Automatikschaltung der Antriebe (9 u. 11) gekoppelt und bringt die Anlage bei breichen des eingestellten Grenzwertes, auf die Stellung des geringsten Widerstandes des Kollektor (5) zur gefährlichern Windrichtung.-Nach Beendigung der Gefahr, kann die Betriebsstellung von der Automatik oder von der Schalttafel aus, freigegeben werden.
Zur Stabilisierung der relativ schweren Kollektoreinheit - bis 25 kg/ qm Fläche - ist die nach unten wirkende Gewichtskomponente des Kollektors (5) , durch eine hydraulische Vorrichtung (13) abgefangen, die gelenkig vom Trägermast (2) abgestützt wird.
diese Hydraulikvorrichtung (13) ist gleichzeitig ein Kraftverstärker beim Anheben des Kollektors aus der Ruhestellung in die Betriebsstellung und ein Ventil zum Absenken in die Sicherheitsstellung, beim Eingreifen des Überdruckinstruments (10).
Die Vorrichtung. (13) ist der automatischen Steuerung der Bewegungsorgane zugeschaltet.-Für eine totale automatische Steuerung der Gesamtanlage, hinsichtlich der Bewegungen und des Energietransports zum jeweiligen Verbrauch, ist der Einsatz eilliger MIKRO-PROZESSOREN vorgesehen.
Dadurch wird jede anliegende Bedingung und jeder Zustand - wie licht, Wärme, Druck, Richtung, Klima, Energieverteilung und Sicherung - bestmöglichst erfasst und zum höchsten Nutzeffekt ausgewertet.
um das energiegeladene Flüssigkeitsmedium vom Kollektor (5) über das Schwenklager (4) durch den Hohlmast (3) in die die Leitungen des Xiärmekreislaufes (6) und (7) zu bringen, ist dazwischen ein Doppeldrehventil (14) angebracht, welches in Betriebsstellung für den Hin- und Rücklauf der Flüssigkeit, bezw. des Dampfes, sorgt.-Bei der Bodenanordnungen Abb. 2 , kann der erste Wärmeaustauscher(15), seitlich versetzt, unter dem Drehschemel (1) unter dem Erdboden eingestzt werden.
In die Zuleitung(6a Abb.4) und die Rückleitung (7a) (Abb.4) sind die Umwälzaggregate (8) zwischengeschaltet und sorgen für eine schnelle Wärmeabgabe und Regenerierung des Mediums.
Der Betonsockel (16) (Abb. 2) dient dem Hohlmast (3) als Verankerung und bildet mit den Aussenankern (16) das statische Fundament für die Solaranlage mit Ausführung nach Abb. 2.
Die Ausführung nach Abb. 1 ist innerhalb der vorliegenden Dach-oder Deckenkonstruktion, frei verankert, sowohl der Drehschemel (1), als auch der Hohlmast (3). Dieser ist dabei unten offen und die Wärmeleitungen (6) und (7) treten dort aus und können den Wärmeaustauschern direkt anschliessend oder jedem Speicher oder Verbraucher, an deren Standort zugeführt und eingeleitet werden.
Der Sollarkollektor - Wirkung und Aufbau: Abb. 3 zeigt das Grundelement für die Verdichtung und Weiterführung der aufgestrahlten und festgehaltenen Sonnenenergie.
Beschreibung Die Wärmestrahlen der Sonne treffen parallel auf die spiegelnde Oberfläche eines konkaven Schalenreflektors (21). Die Schale ist z.B. aus spiegelgewalztem dünnen ALU-Blech, welches angenähert einer Parabel folgend, fazettenartig abgekanntet ist.
Die Verformung ist so gewählt, daß jeder breitflächig auf treffende Sonnenstrahl, unbedingt auf ein im vergrößerten Brennpunkt der Schale gelagertes Wärmerohr (22) gelenkt wird.-Der Strahlengang wird aus Abb. 3 halbseitig ersichtlich.
Dabei ist verständlich gemacht, daß Wärmestrahlen auch hinter das Wärmerohr (22) gelenkt werden und somit das Wärmerohr auf seinem ganzen Umfang aufgeheizt wird.
Das Wärmerohr (22) besteht aus einem teichtmetallrohr, welches entweder mir auf der oberen Hälfte oder auch am ganzen Umfang gezahnt ist und auch innen gezahnt sein kann. Dadurch werden die Wärmeaufnehmende Aussenfläche und die wärmeabgebende Innenfläche des Wärmerohrs vergrößerst und der Vorgang der Wärmeübertragung auf die durch das Wärmerohr zirkulierende Flüssigkeit beschleunigt.
Zwecks absorbierung der Wärmestrahlen durch das Wärmerohr, ist dieses im Eloxalverfahren schwarz eingefärbt und damit selbst reflexionsfrei.
Das Verhältnis des Wärmerohrdurchmessers zur wirksamen Einstrahlungsbrteite eines Elemente macht begreiflich, daß der Material- und Gewichtsaufwand gegenüber totalausgefüllten Absorbierungsflächen, um mehr als 60% bei gleicher Kapazität, gesenkt werden kann.-Mehrere Schalenelemente - z.B. 5 - sind in einer Einheit von der Fläche eines Quadratmeters untergebracht und können im Baukastenprinzip, nach Leistungsbedarf, zusammengesetzt werden. Die Einheit wird im Kasten (27) eingebaut. Die notwendige Zahl der Einzelkästen, wird auf dem Tragkasten (28 Abb.4) zum Kollektor (5) vereinigt.
Die Hohlräume zwischen Kasten (27) und der Reflektorschale (21) werden mit aufschäumbaren und wärmebeständigem Isoliermaterial (26) ausgefüllt. Die Spiegelschal#(21) wird mit der Glasscheibe (24) über die Dichtung (23) gegen Staub und feuchtigkeit abgedeckt.
Die Dichtung (26) stellt gleichzeitig den Abstand zur Deckscheibe (25) her, die über einer Baukasteneinheit liegend, diese abschließt.
Die Scheibe (25) kann sowohl aus Glas, als auch aus Kunstglas sein0 Der zwischen den Scheiben (24) und (25) hergestellte raum, hat die Wirkug von Thermopen-Fenstern, die Wärmestrahlen durchlassen, aber lichtlose Wärme nicht wieder zurücklassen.
Schema der Wärmenutzung: In Abb.4 wird eine der Möglichkeiten zur Verwendung der zur Verfügung stehenden Wärmemenge, dargestellt.
Danach wird die vom Kollektor (5) in den Wärmerohren (21) aufgeheizte Flüssigkeit, am Übergang (6) über die Leitunmg (6a) und einem Umwälzaggregat (8), den Energieverbrauchern ( z.B. (15) (17) (18)u.a.) bereitgestellt und je nach angefallener Kapazität und erforderlicher Verwendung, über ein Ventil (31), vor die Verbraucherventile (32) gedrückt und entweder einzeln oder auch insgesamt, im Wärmeaustauscher der Verbraucherkreise (15; 17; 18) in Nutzwärme umgesetzt.
Ein automatisches Ventil (30) an der Heizleitung (6a), ermöglicht die Einspeisung von Wärmeenergie aus anderen Erzeugern - z.B. von Wärmepumpen - in das System.
Nachdem die Wrmeenegie der Flüssigkeit entzogen ist, strömt diese von den austauschern (15),(17),(18) in die Rückleitunmg (7a) und wird vom Ventil (31) der Förderpumpe (8) zugeführt, die das Medium über den Eingang (7) in den Kreislauf des Solarkollektors (5), zur Beschickung mit neuer Wärmeenergie, in Umlauf bringt. Mit dem Ventil (30) wird bei Bedarf, der Rücklauf für den evtl. zugeschalteten Wärmepumpenkreis gesteuert.
L e e r s e i t e

Claims

Schutzanstrüche SOLAR-Anlage für totale Energieaufnahme und Nutzung, an jedem Standort,durch Gleichlauf zur Sonnenbahn und Reflexions-Kollektor.

1. SOLAR-Anlage zur Erfassung der ganztätigen Sonneneinstrahlung auf einem Sammler - hier Kollektor genannt - unabhängig von Jahreszeit, Sonnenrichtung und Sonnenhöhe; sowie auch unabhängig von stationärem Einbau in Hausdächer und andere starre Flächen, die nur eine geringe Einsparung an Energie konventioneller Art, beim Allgemeinbedarf zulassen, bezw. durch ihren Standort überhaupt zur Benutzung von Sonnenenergie, ausgeschlossen wären und nun durch diese Anlageanordnung ihren Wärmebedarf nach jeder Richtunmgh teilersetzen, ergänzen und erweitern können und ihrem Einkommen und Bedarf anpassen können; dadurch gekennzeichnet, daß ein Kollektor eines Reflexionssystems - aber auch die kannter anderer Sammelsysteme - auf einen um mindestens 180 drehbaren Mast, mittels eines um ca 80 anhebbaren horizontalen Schwenklagaers, montiert ist und durch eine vollautomatische Koordinierung beider Bewegungen zur Sonnenbahn - in Richtung und Höhe - gebracht, bewirkt wird, daß der Kollektor, in jedem Fall von Sonneneinstrahlung, senkrecht zur Sonne eingerichtet ist.

2. Nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Drehbewegung und die Schwenkbewegung der Anlage, durch Einsatz von Mikro-Prozessoren und Sensoren, auf elektro-mechanische Antriebe übertragen, automatisch vom Sonnenstand bewirkt wird, oder auch programmgesteuert werden kann, bezw. auch von Hand vorgenommen werden kann.

3. Nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Druckwächter, bei Überschreiten der Sicherheitsgrenze zaBo bei Sturm, eine Schnellverstellung ausgelöst wird> die den Kollektor auf die kleinste Widerstandsfläche einstellt und bis zur Beseitigung der Gefährdung festhält,

4. Nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor-Trägermast, lediglich durch Bauhöhe und Fundament unterschieden, an jedem Ort aufgestellt werden kann, der im Bereich der Sonneneinstrahlung liegt - sowohl auf dem Erdboden, als auch auf Gebäuden jeder Art.

5. Nach anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß ein hydraulischer Stempel als Hubkraftverstärker, Lastabstützer und Schnellabsenker, je nach Wahl oder automatisch, die Höhenstellung des Kollektors bewirken kann.

6. Nach Anspruch 1. gekennzeichnet durch einen Reflexionskollektor, der aus fazettenartig verformten, aneinandergelegten, spiegelnden, dünnen Blechschalen zusammengesetzt ist und in deren Brennpunkt der Sonnenstrahlen, ein innen- und aussenverzahntes, schwarz eloxiertes wärmerohr verläuft, auf welches alle in der Breite der Schale auftreffenden Wärmestrahlen gelenkt werden und vom Wärmerohr absorbiert werden und an die in diesem zirkulierende Spezialflüssigkeit abgegeben werden und von dieser der Nutzbarmachung zugeleitet werden.

7. Nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor aus Einheitsfeldern baukastenartig für die erforderliche Wärmekapazität aufgebaut werden kann und entsprechend der lage und dem Standort, für den wirksamsten Wärmeumlauf und Wärmeaustausch, bei den installierten Verbrauchenn, geschaltet werden kann.

Schutzansprüche Nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitung vom Kollektor und die Rückleitung zum Kollektor, isoliert durch den Hohlmast der Anlage, zu dem Wärmeaustauscher oder Speicher und anderen Verbrauchern, geführt wird und damit vor Beschädigungen und Wärmeverlusten gesichert rist.

9. I*ach Anspruch b. dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsanfall durch eine automatische oder auch wählbare Schaltkombination von Umwälz- oder Förderaggregaten, mit Ventilen ode ähnlichen Einrichtungen, entsprechend seiner Wärmekapazität, den jeweiligen vorrangigen Verbrauchern zugeteilt werden kann, bezw. Wärmeüberschuß, gespeichert werden kann.

10. Nach Anspruch aus 6. und 8. dadurch gekennzeichnet, daß Energie von anderen Wärmeanlagen - z.B. von Wärmepumpen -jederzeit in das Verteiler- und Verbrauchersystem der beweglichen Anlage eingespeist werden kann und damit den Wirkungsgrad erhöht, bezw. dadurch den Energieverbrauch aus Erdöl, Gas und KOhle auf ein Minimum und Reserven senkt; oder umgekehrt, die Energie der beweglichen Kollektoranlage, den anderen vorhandenen Anlagen der Wärmegewinnung, zugesetzt werden kann.