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rohrförmige Sonnenkollektoren mit feststehendem wannenförmigen
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Konzentrator Die Erfindung bezieht sich auf wannenförmige optische
Konzentr£-toren für Streulicht in Verbindung mit rohrförmigen Sonnenkollektoren.
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Herkömmliche rohrförmige Sonnenkollektoren mit Vakuum werden überwiegend
aus parallel und ohne Abstand angeordneten Einzelelementen aufgebaut. Der vergleichbar
hohe Gesamtherstellpreis dieser Sonnenkollektoren wird dabei vor allem durch die
erforderliche Anzahl der Einzelelemente bestimmt. Die Firma Owens/USA stellt Sonnenkollektoren
her, bei denen die Zahl der Einzelelemente halbiert ist. Das wird durch eine weiße
Reflexionsfläche auf der Rückwand des Kollektors erreicht. Ein ähnliches System
wurde von der Firma Philips entwickelt. Hier werden Reflektoren benutzt, die ebenfalls
zu einer Halbierung der Zahl der Einzelelemente führen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Gesamtherstellpreis rohrförmiger
Sonnenkollektoren gegenüber diesen herkömmlichen Lösungen weiter zu senken, ohne
daß die Leistungsfähigkeit spürbar sinkt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bekannte rohrförmige
Sonnenkollektoren mit einem fest montierten optischen Konzentrator geeigneter Form
versehen werden. Dabei sammelt der Konzentrator das direkte Sonnenlicht und das
diffuse Licht der Himmelsstrahlung und lenkt es auf ein rohrförmiges Kollektorelement.
Der
erfindungsgemäße Konzentrator weist dazu ein parabolisches oder doppelparabolisches
oder doppelspiraliges oder spiraliges Profil auf.
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Der Vorteil liegt in der Verminderung der notwendigen Anzahl der Einzelelemente
und der damit verbundenen Senkung des Gesamtherstellpreises. Da der erfindungsgemäße
Konzentrator kaum Reflexionsverluste verursacht, bleibt die große Leistungsfähigkeit
pro Flächeneinheit von herkömmlichen Kollektoren mit Vakuum erhalten. Darüberhinaus
ergeben sich Vorteile durch die Verringerung der Anzahl der Einzelelemente, da sich
dadurch Emissions-und Konvektionsverluste auch entsprechend verringern.
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Anhand der Zeichnungen wird nachstehend der erfindungsgemäße Konzentrator
näher veranschaulicht. Dabei zeigen in rein schematischer Weise jeweils in senkrechten
Schnittbildern: Fig. 1 einen herkömmlichen rohrförmigen Sonnenkollektor der Firma
Philips (Maßstab 1:1), Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Sonnenkollektor mit gleicher
Leistungsfähigkeit bei halbierter Anzahl der rohrförmigen Elemente (Maßstab 1),
Fig; 3 einen erfindungsgemäßen Sonnenkollektor mit doppelparabolischem Konzentrator
(Maßstab 1:2« Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Sonnenkollektor entsprechend Fig. 3
für senkrechte Montage (Maßstab 1:2), Fig. 5 einen erfindungsgemäßen Sonnenkollektor
mit doppelspiraligem Konzentrator (Maßstab 1:2), Fig. 6 einen erfindungsgemäßen
Sonnenkollektor entsprechend Fig. 5 für senkrechte Montage (Maßstab 1:2), Fig. 7
einen erfindungsgemäßen Sonnenkollektor mit spiraligem Konzentrator (Maßstab 1:3),
Fig. 8 einen erfindungsgemäßen Sonnenkollektor entsprechend Fig. 7 für senkrechte
Montage (Maßstab :39.
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Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen Sonnenkollektor System Philips.
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Hier wird ein Reflektor benutzt in Form der Verspiegelung 7 der jeweiligen
unteren Hälfte der Glasrohre 2, die die Strahlung auf die Absorberrohre 5 lenkt.
Innerhalb der Glasrohre 2 befindet sich ein Vakuum 3 und in den Absorberrohren das
Wärmetransportmedium 6. Der Reflektor hat keine Konzentrationswirkung.
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Fig. 2 zeigt einen Sonnenkollektor System Philips, bei dem der halbkreisförmige
verspiegelte 7 Reflektor 80 nicht innerhalb der Glasrohre 2 sondern mit doppeltem
Durchmesser außerhalb angeordnet ist. Die Strahlung wird hier auf das Absorberblech
4 gelenkt. Die Reflexionsverhältnisse entsprechen denjenigen in Fig.
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1. D.h. die Leistungsfähigkeit dieses Kollektors pro Flächeneinheit
ist mit derjenigen des Kollektors in Fig. 1 identisch.
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Gleichzeitig ergibt sich aus der doppelten Größe des Reflektors eine
Halbierung der nötigen Anzahl der rohrförmigen Kollektorelemente. Der Reflektor
hat hier ebenfalls keine Konzentrationswirkung.
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Die Fig. 3 bis 8 zeigen die Möglichkeit die Anzahl der rohrförmagen
Kollektorelemente auf erfindungsgemäße Weise weiter zu reduzieren, indem die Form
des Konzentrators 8 dem Montagewinkel und dem maximalen Sonnenstand angepaßt wird.
Dabei wird von der Überlegung ausgegangen, daß eine Beschränkung der Konzentratorwirkung
auf den Einfallbereich der direkten Sonnenstrahlung -hier der Winkelbereich zwischen
den Richtungspfeilen 11 und 12 -den Anteil der eingefangenen Globalstrahlung kaum
schmälert.
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Die Kollektoren in Fig. 3 bis 8 sind jeweils mit einer transparenten
Platte 1 abgedeckt. Durch die beiden Seitenwände 9 in Verbindung mit den Konzentratorschalen
8 und der Abdeckplatte 1 wird eine so große Stabilität dieser Kollektoren erreicht,
daß sich ein tragender Rahmen - bis auf zwei seitliche Montageleisten 10 - erübrigt,
und sich so ein niedriges Gesamtgewicht der erfindungsgemäßen Kollektoren ergibt.
Die innentiefe des Konzentntois
rurde einheitlich gewählt, so daß
ein Vergleich der teistungsligkeit der einzelnen Ausführungsbeispiele möglich ist,
zumal Konzentratortiefe so groß gewählt wurde, daß eine noch gröe Tiefe praktisch
keine weitere Verbesserung ergeben würde.
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;. 3 zeigt eine Lösung, die nur noch 3,7 rohrförmige Kollekelemente
pro Meter Kollektorlänge benötigt. Dies wird durch L doppelparabolisches Profil
des Konzentrators 8 erreicht.
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ses Profil gewahrleistet, daß die gesamte Strahlung, die im kelbereich
zwischen den Richtungspfeilen 11 und 12 einfällt, die Absorberfläche 4 des rohrförmigen
Kollektorelementes .fft. Der Konzentrationsfaktor beträgt dabei 2,2. Für einen malen
Einsatz sollte die Dachneigung und der maximale Sonnenmd - bzw. zumindest der maximale
Sonnenstand am Ende der Heizdiode - nicht wesentlich von der Auslegung des Kollektors
abchen (hier 45 Grad Dachneigung und 60 Grad Sonnenstand).
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5. 4 zeigt einen entsprechenden Kollektor für senkrechte Monta-Bezüglich
des maximalen Sonnenstandes gelten hier die glei-Xn Einschränkungen. Die senkrechte
Montage hat den Vorteil, daß tiefstehende Wintersonne besonders gut ausgenutzt wird.
Der Xr dargestellte Kollektor benötigt nur 3,5 rohrförmige Elemente Meter Kollektorlänge
und sein Konzentrationsfaktor betragt c. Er kann außer für senkrechte Montage auch
für eine Dachneilg von 30 Grad benutzt werden. Dabei muß der Kollektor gegenbr der
senkrechten Montage um 180 Grad gedreht montiert werden.
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3 hier dargestellte doppelparabolische Profil des Konzentrators besteht
aus zwei parabolischen Hälften, die durch einen Kreisgen verbunden sind. Als Brennpunkt
beider parabolischen Profilile ist die Kante 41 des Absorberbleches 4 gewählt. Sie
ist unfalls Mittelpunkt des Kreisbogens. Das obere parabolische )filstück ist bezüglich
seiner Brennpunktwirkung auf Strahlen s der Richtung 11 ausgelegt, während das untere
parabolische Dfilstück Strahlen aus der Richtung 12 auf den Brennpunkt 41 nkt. Das
kreisbogenförmige Mittelstück des Konzentrators 8 Windet sich dabei im Lichtschatten
des Absorbers 4. Der Absorber
ist beidseitig geschwärzt und reicht
möglichst nahe an das Konzentratormittelstück heran. Daraus ergibt sich, daß alle
Strahlen, die in dem Einfallbereich zwischen den beiden Richtungspfeilen 11 und
12 liegen und auf eines der beiden parabolischen Profilstücke des Konzentrators
treffen, auf den Absorber 4 gelenkt werden - ggf. nach weiterer Reflexion. Alle
Strahlen, die das kreisbogenförmige Mittelstück des Konzentrators treffen, werden
ohnehin auf den Absorber 4 gelenkt.
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In Fig. 5 bis 8 werden spiralige Konzentratoren 8 verwendet. Das spiralige
Profil ist dadurch gekennzeichnet, daß es statt eines Brennpunktes eine Brennfläche
besitzt, d.h. eine Fläche, zu der die reflektierten Strahlen tangential verlaufen.
Die Brennfläche ist hier der Querschnitt des zylindrischen Absorbers 4. Bei der
doppelspiraligen Ausführungen in Fig. 5 und 6 besteht der Konzentrator 8 aus zwei
derartigen Spiralen und einem zweiteiligen Mittelstück. Das Mittelstück liegt im
Lichtschatten des Absorbers 4 bezüglich>Strahlen aus den beiden Richtungen 11
und 12.
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Das Profil dieses Mittelstückes ist dadurch gekennzeichnet, daß Strahlen,
die zur Brennfläche tangential verlaufen, senkrecht auf das Profil treffen. Da das
Mittelstück bis dicht an den Absorber 4 heranreicht, werden alle auf das Mittelstück
treffende Strahlen auf den Absorber gelenkt. Durch das obere spiralige Profilstück
des Konzentrators 8 werden alle Strahlen aus der Richtung 11 so reflektiert, daß
sie als Tangenten zur zylindrischen Absorberoberfläche verlaufen. Entsprechendes
gilt für das untere spiralige Profilstück und Strahlen aus der Richtung 12.
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Damit werden auch hier alle Strahlen im Einfallbereich zwischen den
beiden Richtungspfeilen 11 und 12 auf den Absorber 4 gelenkt.
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Fig. 5 und 6 zeigen derartige doppelspiralige Konzentratoren.
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Das unter Fig. 3 und 4 gesagte gilt entsprechend auch hier. Die Konzentrationsfaktoren
betragen jedoch für Fig. 5/6 1,8/2,0 und es werden nur 2,9/2,6 rohrförmige Elemente
pro Meter Kollektorlänge benötigt. Der Kollektor in Fig. 6 ist ebenfalls für eine
Dachneigung von 30 Grad geeignet.
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Fig. 7 und 8 zeigen Konzentratoren, deren Profil nur aus einer einzigen
Spirale und einem dem obigen Mittelstück entsprechenden Anschlußstück bestehen.
Dabei ist insbesondere der Kollektor für senkrechte Montage in Fig. 8 vorteilhaft,
weil er keine Beschränkung bezüglich des maximalen Sonnenstandes aufweist. Die Global
strahlung wird in dem gesamten Bereich zwischen waagerechtem 11 und annähernd senkrechtem
12 Einfall auf den Absorber 4 gelenkt. Diesen Vorteil können jedoch auch die Ausführungsbeispiele
in Fig. 4 und 6 bieten, wenn das untere Profilstück für einen entsprechend höheren
Strahlungseinfallwinkel 12 ausgelegt wird. Die Anzahl der erforderlichen rohrförmigen
Elemente pro Meter Kollektorlänge würde sich durch diese Maßnahme nicht wesentlich
erhöhen! Die Konzentrationsfaktoren für Fig. 7/8 betragen 1,8/2,15 , und es werden
,3- rohrförmige Elemente pro Meter Kollektorlänge benötigt. Der Kollektor in Fig.
8 ist auch für eine Dachneigung von 0 bis 30 Grad geeignet.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt.
Insbesondere können andere Arten rohrförmiger Kollektoren - z.B. mit teilweiser
Verspiegelung oder ohne Vakuum - benutzt und die Auslegung der Konzentratoren bezüglich
Montagewinkel und dem Einfallbereich der zu konzentrierenden Strahlung variiert
werden.
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- Patentansprüche -