DE3046529A1

DE3046529A1 - "solarkollektor"

Info

Publication number: DE3046529A1
Application number: DE19803046529
Authority: DE
Inventors: Leo R. Campbellville Ontario Dorbeck; Lawrie G. Etobicoke Ontario McIntosh
Original assignee: Canadian Sun Systems Ltd
Current assignee: Canadian Sun Systems Ltd
Priority date: 1979-12-10
Filing date: 1980-12-10
Publication date: 1981-09-10
Also published as: JPS5694160A; CA1164295A; JPS5821184B2; US4309984A; DE3046529C2

Description

Solarkollektor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Solarkollektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere auf ein derartiges Solarenergie-Kollektorsystem mit parabolisch zusammengesetzten Konzentratoren, (^M CPC/ Compound Parabolic Concentrators), wie es aus der US-PS 4 198 955 bekannt ist.

Ein CPC-Kollektor zeichnet sich durch eine zusammengesetzte parabolische Form aus, die die durch die Parabelmündung empfange ne Sonnenenergie auf ein Rohr konzentriert, durch das zu erwärmendes Strömungsmittel hindurchgeleitet wird. Die Parabelform wird durch die Beziehung des Konzentrationsverhältnisses C, also des Verhältnisses der Querabmessung der Mündung zum Außenumfang des Rohrs, zum kritischen Winkel oder Annahmewinkel Θ, also zum Winkel relativ zur Parabelachse, innerhalb dessen die Lichtstrahlen auf das Rohr konzentriert werden, bestimmt. Diese Beziehung lautet

sin θ

Nach dem erwähnten Stand der Technik (US-PS 4 198 955) besteht das Sonnenenergie-Kollek'torsystem aus modularen Sonnenkollektoren.

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Z inkverbiBdung: Boytr. Vertimbonk AAOnthwi, Konto <20404 (BlZ 700 202 70) · Poshdwdckonto ι MOnch.n 270 U -802 (BLZ 700100 80)

fnur PA Dipl.-Ing. S. Sto«g«r)

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Jeder Modul umfaßt eine Mehrzahl langgestreckter Hüllen, die starr und unbeweglich miteinander verbunden sind und eine integrale Körperstruktur ergeben. Mit dieser Struktur ist eine transparente Abdeckung abdichtend verbunden. Jede Hülle ist evakuiert und hat eine reflektive Innenfläche. Aufeinanderfolgend durch die Hüllen verläuft das Rohr mit einer selektiv absorbierenden Oberfläche, die Energie mit gegebenen Wellenlängen selektiv absorbiert. Das Rohr fördert das zu erwärmendes Strömungsmittel zum Modul und entfernt erwärmtes Strömungsmittel vom Modul.

Obwohl sich die modulare Konstruktion als sehr vorteilhaft erweist, ergeben sich Schwierigkeiten bei der Konstruktion einer integralen Körperstruktur der bekannten Art, insbesondere bei der Herstellung aus vitrösem Keramikmaterial. Die Erfindung befaßt sich mit einer verbesserten Form der Körperkonstruktion für den Modul.

Die CPC-Kollektoren haben einen hohen Wirkungsgrad beim Sammeln der Sonnenenergie und beim Erwärmen des durch das Rohr fließenden Strömungsmittels. Jedoch ergeben sich Probleme, wenn der thermische Bedarf des Systems sowohl kurzfristig als auch langfristig gedeckt ist oder wenn als Ergebnis eines Transport-Strömungsmittel-Verlustes/ eines Pumpenausfalls, eines Stromausfalls, einer beschränkten thermischen Speicherkapazität oder menschlichen Irrtums ein Stillstand eintritt, sodaß es dann notwendig wird, den Kollektor "abzuschalten". Erfolgt kein solches Abschalten, so können eine irreversible Beschädigung der selektiven Beschichtung des Absorberrohrs mit folglicher Verschlechterung des Vakuums und weiterhin ein unerwünschter Druckanstieg im Strömungsmittelsystem die Folgen sein. Durch den erfindungsgemäßen Mechanismus können diese Probleme vermieden werden.

Die Erfindung schafft eine verbesserte Form eines CPC-Sonnenenergie-Kollektors oder anderen Fokusiertyp eines Kollektors

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mit einer Einrichtung zum Bewegen der Absorberrohranordnung aus der Brennebene der Konzentration in Antwort auf ermittelte Zustände des Kollektors. Der CPC-Kollektor weist vorzugsweise die Form eines modulären Sonnenenergie-Kollektors mit einer Mehrzahl individueller Kollektoren auf, die in einem Modul mit einer transparenten Abdeckung angeordnet sind.

Der modulare Kollektor umfaßt zweckmäßigerweise einen üblicherweise aus Metall bestehenden tablettartigen Körper, der als Trog bezeichnet werden kann und ein unteres Körperelement bildet, an dem die transparente Abdeckung unter hermetischer Abdichtung befestigt ist. Der Trog wird durch eine Mehrzahl paralleler, langgestreckter, aufrechtstehender Wände in mehrere parallele, getrennte Abteilungen unterteilt, in denen jeweils ein CPC-Kollektor montiert ist.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Gebäudedachs, das eine Anzahl modularer Sonnenenergie-Kollektoren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung trägt;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines, erfindungsgemäßen modulären Sonnenenergie-Kollektors, wobei zur größeren Klarheit Teile weggelassen sind;

Fig. 3 eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht des Kollektors nach Fig. 2 mit weggelassener Abdeckung;

Fig. 4 eine Endansicht eines Teils des Sonnenkollektors nach Fig. 2 zur Veranschaulichung einer Einzelheit des Zusammenbaus der Grundplatte und der Abdeckung und der Art der Abdichtung zwischen der Grundplatte und der Abdeckung;

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Fig. 5 eine Endansicht eines in einem der Kollektoren der modularen Einheiten nach Fig. 2 enthaltenen Reflektors unter Darstellung eines Absorberrohrs in fokusierter (durchgehende Linien) und nicht-fokusierter (strichpunktierte Linien) Stellung)

Fig. '6 eine Endansicht entsprechend Fig. 4 unter Darstellung einer alternativen Art der Abdichtung zwischen der Grundplatte und der Abdeckung;

Fig. 7 eine schematische, perspektivische Ansicht der Absorberrohre in fokusierter ( durchgezogene Linien) und in nicht-fokusierter (strichpunktierte Linien) Stellung;

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Bewegen der Absorberrohre zwischen der fokusierten und der nicht-fokusierten Stellung in Übereinstimmung mit der Erfindung;

Fig. 9 eine Endansicht der Vorrichtung nach Fig. 8 mit in der fokusierten Stellung befindlichem Absorberrohr;

Fig.10 eine Endansicht entsprechend Fig. 9 mit in der nichtfokusierten Stellung befindlichem Absorberrohr;

Fig.11 eine auseinandergezogene Darstellung einer abgewandelten Ausführung zum Bewegen des Absorberrohrs zwischen der fokusierten und der nicht-fokusierten Stellung;

Fig.12 eine Endansicht der Vorrichtung nach Fig. 11 unter Darstellung der fokusierten Stellung des Rohrs;

Fig.13 eine Endansicht der Vorrichtung nach Fig. 11 unter Darstellung der nicht-fokusierten Stellung des Rohrs;

Fig.14 eine schematische, perspektivische Ansicht des Moduls

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unter Verwendung einer weiteren abgewandelten Vorrichtung zum Bewegen des Absorberrohrs zwischen der fokusierten und der nicht-fokusierten Stellung;

Fig.15 in perspektivischer Darstellung eine Einzelheit des Absorberrohrs, das in seiner nicht-fokusierten Stellung in durchgezogenen Linien und in seiner fokusierten Stellung gestrichelt eingezeichnet ist; und

Fig.16 eine Endansicht eines Kollektors unter Darstellung der relativen Stellung des Absorberrohrs in der fokusierten Betriebsstellung ( in durchgehenden Linien) und in der nicht-fokusierten Ruhestellung (gestrichelt).

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, kann ein Sonnenenergie-Kollektormodul 10 mit einer Mehrzahl gleicher Moduln 10 auf einem Gebäudedach 12 oder einem ähnlichen Aufbau montiert sein. Eine einzelne StrömungsmittelrEintrittsleitung 14 erstreckt sich über die Länge des Dachs 12 und dient dazu, das aufzuheizende Transport-Strömungsmittel parallel zu einer Mehrzahl von Gruppen 16 der Moduln 10 zu pumpen, wobei zu jeder Gruppe eine beliebige, zweckmäßige Anzahl von Moduln 10 gehören kann, die in geeigneter Weise für den seriellen Durchfluß des Transport-Strömungsmittels durch die Gruppe 16 miteinander.verbunden sind. Weiterhin erstreckt sich über die gesamte Länge des Dachs 12 eine einzelne Austrittsleitung 18, die das aufgeheizte Transport-Strömungsmittel parallel von den Modulgruppen 16 aufnimmt. In der dargestellten Bauart sind die Eintrittsleitung 14 und die Austrittsleitung 18 zum Zweck des thermischen Wirkungsgrads innerhalb der Moduln 10 angeordnet.

Die Figuren 2 bis 4 zeigen den ins Einzelne gehenden Aufbau der einzelnen Moduln 10. Demnach gehört zu jedem Modul 10 eine untere tablettartige Grundplatte, die als Trog 20 bezeichnet wird und die aus einem zweckmäßigen Material, insbesondere Stahl, besteht, sowie weiterhin einer oberen Abdeckung 22, die aus einem zweckmäßigen Material wie Insbesondere Glas besteht.

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Innerhalb des Trogs 20 sind eine Anzahl von Wänden 24, die allgemein einen I-förmigen Querschnitt aufweisen, angeordnet, die sich in Längsrichtung, zueinander in einem Abstand parallel und vertikal zwischen dem Boden des Trogs 20 und der Abdeckung 22 erstrecken. Die Wände 24 begrenzen miteinander und mit Seitenwänden 26 des Trogs 20 eine Mehrzahl einzelner Abteile 28.

Innerhalb jedes Abteils 28 verläuft quer zu diesem eine Mehrzahl von Stützgliedern 30, die beispielsweise durch Hartlötung mit den Wänden 24 verbunden sind, hinsichtlich der Querabmessung dünn sind und gemäß ihrer Form einen Reflektor 32 mit einer reflektierenden Oberfläche 33 aufnehmen. Die Stützglieder in jedem Abteil 28 dienen der Abstützung des Reflektors 32 darin. Jeder Reflektor 32 hat eine zusammengesetzte parabolische Form, die noch im einzelnen beschrieben wird, und ist beispielsweise durch Hartlötung mit den Stützgliedern 30 verbunden, so daß sich ein zusammenhängender Aufbau ergibt.

Die Zeichnung zeigt den Kollektormodul 10 mit acht Reflektoren 32, die in den acht Abteilen 26 angeordnet sind; wobei diese Anzahl aus Gründen einer zweckmäßigen Gesamtgröße des Moduls 10 gewählt ist. Jedoch ist auch eine beliebige andere Anzahl möglich.

Aufeinanderfolgend durch die einzelnen Abteile 26 verläuft ein Absorberrohr 34/ und zwar normalerweise entlang der Brennlinie der Reflektoren 32. Es dient dem Transport des aufzuheizenden Strömungsmittels durch den Kollektormodul 10. Die Einlasse und Auslässe des Absorberrohrs 34 zu den Kollektormoduln 10 sind thermisch in geeigneter Weise vcm Trog 20 isoliert. Das Absorberrohr 34 hat eine Außenbeschichtung aus einem Material wie beispielsweise Chromschwarz, das selektiv Energie einer gegebenen Wellenlänge, allgemein von etwa 3 · 10 bis etwa 3 · 10 m, absorbiert und andere Wellenlängen nicht absorbiert. Die Verwendung eines selektiv absorbierenden Beschichtungsmaterials minimalisiert so die Strahlungs-Wärmeverluste vom Rohr 34..

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Für die Befestigung des Absorberrohrs 34 entlang der Brennlinie des Reflektors 32 für die Wärmeabsorption gibt es viele Möglichkeiten. Gemäß der Beschreibung der Figuren 7 bis 13 besteht diese Halterung vorzugsweise aus zwei Querträgern 36, die das Rohr aufnehmende Vertiefungen oder Rinnen 38 enthalten, in denen das Absorberrohr 34 durch Hartlötung oder anderweitig zur Erzielung eines wirksamen Wärmeübergangs vom Rohr 34 zu den Querträgern 36 montiert ist. Die der Montage dienenden Querträger 36 sind jsweils an einem Ende des Moduls 10 in in Querrichtung fluchtenden Einschnitten 40 in den Wänden 24 und den Reflektoren 32 angeordnet.

Der Modul 10 wird evakuiert, um den Absorptionswirkungsgrad hinsichtlich der Sonnenenergie zu erhöhen, weshalb die Abdeckung 22 gegenüber dem Trog 20 abgedichtet sein muß. Wie Fig. 4 zeigt, weist der Umfang des Trogs 20 einen horizontalen, nach außen abstehenden Rand 42 auf, an dem ein Metallflansch 44 durch Hartlötung oder andere Mittel befestigt ist.

Der Flansch 44 umfaßt einen horizontalen Teil 46, der mit dem Rand 42 verbunden ist, und einen abwärts geneigten Teil 48. Zwischen dem horizontalen Teil 46 und der gläsernen Abdeckung 22 befindet sich eine Dichtung 50,und zwischen dem oberen Ende jeder der metallenen Wände 24 und der gläsernen Abdeckung 22 befindet sich eine Dichtung 52. Die Dichtungen 50 und 52 sorgen für eine dynamische Abstützung zwischen den Metall- und Glasflächen.

An den abwärtsgeneigten Teil 48 des Flanschs 44 ist ein dünner, gewalzter Metallflansch 54 von begrenzter, nachgiebiger Flexibilität angeschweißt, der an die Platte der gläsernen Abdeckung 22 bei 56 durch einen geeigneten Glas -Metall-Verbindungsprozeß hermetisch angeschmolzen ist. Diese Dichtungsanordnung zwischen dem Metall und dem Glas hält das interne Vakuum wirksam aufrecht, und der flexible Flansch 54 ermöglicht es, daß sich das Glas entlang zwei parallelen Rändern der Abdeckung 22 verbiegt, wobei

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die Beanspruchungen im Rand-Abdichtungsbereich minimal sind. Biegt sich die Abdeckung 22 aufgrund der Belastung durch den atmosphärischen Druck, so befindet sich die Außenfläche der Glasplatte der Abdeckung 22 im Zustand der Druckspannung und die Unterseite dieser Platte im Zustand der Zugspannung.

Diese Konstruktion des Grundplattenteils des Kollektormoduls 10 ist in mehrfacher Hinsicht der des Stands der Technik nach der US-PS 4 198 955 überlegen. Der metallene Trog 20, die Zusammenstellung der Wände 24 und der quer verlaufenden Stützglieder 30 und die Reflektoren 32 werden jeweils ohne Schwierigkeiten individuell konstruiert und dann zu einem einheitlichen Aufbau zusammengefügt. Der einheitliche Aufbau ist physikalisch stark, jedoch kann jeder beschädigte Reflektor leicht ersetzt werden, ohne daß es notwendig ist, die gesamte Einheit auszutauschen.

Die Figur 6 zeigt eine abgewandelte Konstruktion des Trogs und der Abdichtung. Zur Erhöhung der strukturellen Festigkeit der Seitenwände 26 des Trogs 20 ist dieser aus miteinander verbundenen Wandelementen 58 und Bodenelementen 60 aufgebaut. Die Wandelemente 58 sind durch Auswalzen gebildet und so geformt, daß sie einen nach außen abstehenden Teil 62 aufweisen. Zu jedem Wandelement 58 gehört außerdem ein integraler Flansch 64, mit dem der flexible Flansch 54 verschweißt ist.

Der integrale Flansch 64 umfaßt eine teil-kreisförmige Vertiefung, in die ein langgestrecktes Rohr 66 eingeschweißt ist, auf der die Dichtung angeordnet ist. Die ineinander passenden Kurvenflächen der Dichtung 50 und des Rohrs 66 ermöglichen es, daß die Dichtung 50 auf der Rohroberfläche abrollt und so Biegemomente am Außenumfang der Dichtung 50, die von einer Expansion und Kontraktion der Glasplatte der Abdeckung 22 herrühren, aufnimmt. Bei einem abgewandelten, jedoch ähnlichen Aufbau rollt eine konvex gekrümmte Unterfläche der Dichtung 50 auf einem

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relativ flachen Teil eines Flanschs ab.

Um eine korrekte Anordnung der Wand 24 sicherzustellen, weisen die Bodenelemente 60 im Querschnitt kreissegmentförmige Rinnen 68 auf, die jeweils einen am unteren Ende der betreffenden Wand 24 angebrachten Randwulst 70 aufnehmen.

Wie zuvor erläutert, weisen die Reflektoren 32 eine zusammengesetzte Parabolform auf, um die durch die Glas-Abdeckung 22 empfangene Sonnenenergie auf das Absorberrohr 34 zu konzentrieren. Unter Bezugnahme auf Figur 5 wird das Konzentrationsverhältnis C des Reflektors 32 durch die Beziehung angegeben:

C = Eingangsöffnungsbreite _ A Absorberrohrdurchmesser

Der kritische Winkel oder Annahmewinkel θ ist derjenige Winkel zur Achse y des Reflektors, innerhalb dessen alle in den einzelnen Reflektor 32 durch die Abdeckung 22 eintretenden Strahlen vom Absorberrohr 34 absorbiert werden, während die außerhalb dieses Winkels eintreffenden Strahlen reflektiert werden, ohne absorbiert zu werden. Die Grenzbedingung für die Annahme der Strahlen zur Absorption ist, daß der durch die reflektierende Oberfläche 33 EBflektierte Strahl tangential zum Absorberrohr 34 verläuft, wie für einen Strahl eingezeichnet ist.

Bei einem Kollektor maximalen Wirkungsgrads der Reflexion der einfallenden Strahlen ist der Annahmewinkel θ durch das Konzentrationsverhältnis C entsprechend der Gleichung bestimmt:

sin θ

und der geometrische Ort der reflektierenden Fläche 33 ist die dieser Gleichung entsprechende Form.

Aus dieser Gleichung ergibt sich, daß bei ansteigendem Konzentrationsverhältnis C der Annahmewinkel θ abnimmt. Der Wert

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des Annahmewinkels bestimmt die Zeitspanne während eines gegebenen Tags, zu der der Kollektor die Lichtstrahlen absorbiert, wobei vorausgesetzt ist, daß der Modul sich hinsichtlich der Sonnenbewegung in einer festen Stellung befindet, wie es üblicherweise der Fall ist. Der Wert des Konzentrationsverhältnisses bestimmt den im Absorberrohr 34 während derjenigen Zeit, zu der die angenommenen Strahlen innerhalb des Annahmewinkels liegen, erreichbaren Temperaturanstieg, wobei eine Erhöhung des Konzentrationsverhältnisses bei im übrigen gleichen Bedingungen zu einer Erhöhung der Temperatur führt.

Das Mindest-Konzentrationsverhältnis beträgt etwa 1 und die obere Grenze des Konzentrationsverhältnisses für ein fest angeordnetes System beträgt etwa 10. Ist der Kollektormodul 10 so montiert, daß er während des Tags die Sonnenbewegung verfolgt, oder wenn die Sonnenstrahlen innerhalb des engen Annahmewinkels konzentriert werden können, der bei diesen hohen Konzentrationsverhältnissen herrscht, kann das Konzentrationsverhältnis auch 10 übersteigen, jedoch kaum höher als 50 kommen.

Vorzugsweise liegt das Konzentrationsverhältnis in der Größenordnung von 1,0 bis 3,0, insbesondere von etwa 1,5 bis etwa 2,0, was einen guten Kompromiss zwischen· dem Annahmewinkel und dem Konzentrationsverhältnis darstellt, sodaß also der Reflektor einen ausreichend großen Annahmewinkel hat, um die Sonnenstrahlen während einer langen Spanne der Tageslichtstunden zu absorbieren, während gleichzeitig ein guter Heizeffekt auf das durch das Absorberrohr 34 fließende Strömungsmittel ausgeübt wird.

Wird die körperliche Höhe des Reflektors 32 vergrößtert, ohne daß im übrigen seine Form geändert wird, so wird das Konzentrationsverhältnis erniedrigt, was zu einem niedrigeren als dem maximalen Wirkungsgrad des Reflektors-32 führt. Da jedoch die oberen Teile des Reflektors 32, die an die Abdeckung angrenzen, nahezu parallel sind und nur einen geringeren Effekt auf die Strahlen, die vom Rohr 34 absorbiert werden, ausüben, kann der

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Verlust an Wirkungsgrad nur geringfügig sein. Indessen kann die als Ergebnis einer verminderten körperlichen Gesamthöhe des Trogs 20, die zur Unterbringung des verkürzten Reflektors 32 noch erforderlich ist, erzielte Materialersparnis erheblich sein.

Allgemein ist bei Anwendung einer verkürzten, also abgeschnittenen Form des Reflektors 32 das Konzentrationsverhältnis C stets größer als etwa 1. Die maximale Wirkungsgraderniedrigung im Vergleich zu Idealbedingungen beträgt etwa 25 %, vorzugsweise wird sie jedoch nur unter etwa 10 % geduldet, woraus die zugelassene Höhenreduzierung bestimmt werden kann.

Die Figuren 3 und. 7 bis 10 veranschaulichen eine Ausführung eines Mechanismus, mit dessen. Hilfe das Absorberrohr aus der Brennlinie des Reflektors 32 so herausbewegt werden kann, daß nur ein kleinerer Anteil der durch die Abdeckung 22 einfallenden Sonnenenergie auf das Absorberrohr 34 auftrifft. Bei der dargestellten Ausführungsform ebenso wie bei den weiteren dargestellten Ausführungsformen nach den Figuren 11 bis 13 und 14 bis 16 ist es das Absorberrohr 34, das sich relativ zum Reflektor 32 bewegt. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, daß sich der Reflektor 32 bewegt und das Rohr 34 gerätefest bleibt, um die Fokusierung und Defokusierung zu erzielen.

Die Figuren 8 bis 10 zeigen einen Mechanismus 72, der am die geraden Teile des Absorberrohrs 34, die durch die Reflektoren 32 laufen, verbindenden Krümmer 74 montiert ist. Dieses Montieren kann beispielsweise durch Hartlötung oder andere zweckmäßige Weise so erfolgt sein, daß eine wirksame Wärmeverbindung zwischen dem Rohr 34 und dem Mechanismus 72 herrscht. Die Figur 3 und schematisch die Figur 7 zeigen eine alternative Ausführung, bei der vier solcher Mechanismen 72 an den Querträgern 36 sitzen, um diese und damit die Absorberrohre 34 zu bewegen.

Zum Mechanismus 72 gehört eine Trägerplatte 76 aus wärmeleitendem Material, auf der der Krümmer 74 des Absorberrohrs 34 durch Hart-

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lötung befestigt ist und die hinsichtlich ihrer Anfangsstellung durch eine Schraube 78 justierbar ist, um eine Anpassung an kleinere Unterschiede der Brennlinie der einzelnen Reflektoren 32 zu ermöglichen.

Die Trägerplatte 76 wird von der Wand 24 über zwei mit Rollen 80 bestückte radartige Bauteile geführt, die für die Vertikalbewegung der Trägerplatte 76 relativ zur Wand 24 an den gegenüberliegenden Wandflächen der Wand 24 angreifen. Die Rollen 80 bestehen aus Keramik oder einem anderen Material niedriger Wärmeleitfähigkeit.

Die Trägerplatte 76 weist einen nach oben abstehenden Flansch 82 auf, an dem ein auf Wärme ansprechender, durch Wärme verformbarer Bauteil 84 montiert ist, der aus geeignetem wärmeverformbaren Metall wie einem Bimetallstreifen oder aus gedächtnis- oder speicherförmigen Legierungen ( memory shaped alloys) aufgebaut sein kann. Dieser Bauteil 84 ist an seinen oberen Enden mit dem Flansch 82 verbunden und umfaßt gegenüberliegende,schleifenartige konvexe Bimetallstreifen 86, die an ihrem oberen Ende durch eine Klammer 88 zusammengehalten werden und mit ihrem unteren Ende durch einen Schlitz in einer Platte 90 gesteckt sind. Die Bimetallstreifen 86 können aus einem Laminat einer Mehrzahl bimetallischer Elemente aufgebaut sein, um einen Bruch zu verhindern. Sie legen sich an Anschlagwände 92 an, die vom Flansch 82 ausgehen. In der Ruhestellung greifen die Außenflächen der Streifen 86 an den Anschlagwänden 92 an und haben dadurch einen maximalen Abstand und einen guten Wärmeübergang von der Trägerplatte 76 zu den Streifen 86.

Der Trog 20 weist eine rinnenartige Vertiefung 94 unterhalb der Platte 90 und ferner eine weitere Platte 96 auf, die angrenzend an die rinnenartige Vertiefung 94 an den Trog 20 angeschweißt ist und sich über diese Vertiefung 94 so erstreckt, daß sie über einem Rand der Platte 90 liegt.

In der normalen Betriebsstellung des Absorberrohrs 34 im Reflektor

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hat der Mechanismus die in den Figuren 8 und 9 gezeigte Stellung, übersteigt jedoch die Temperatur des Transport-Strömungsmittels im Absorberrohr 34 einen gegebenen Wert, beispielsweise als Folge eines Systemschadens oder wenn kein Bedarf für erwärmtes Strömungsmittel besteht, so bewirkt die Wärmeleitung über die Trägerplatte 76 zum Bimetall, daß sich die schleifenartigen Streifen aufeinander zu bewegen und hierdurch die Platte 90 abwärts in die rinnenartige Vertiefung 94 schieben, bis sie auf deren Bodenfläche auftreffen. Diese Anlage an der Bodenfläche bewirkt eine Wärmeableitung zur Atmosphäre. Bewegen sich die Streifen 86 noch weiter aufeinander zu, so bewirkt dies ein Anheben der Trägerplatte 76, wobei die Rollen 80 entlang der Wand 24 nach oben rollen.

Diese letztere Bewegung, die im wesentlichen für alle zum Modul 10 gehörenden Mechanismen 72 gleichzeitig erfolgt, bewirkt, daß sich das Absorberrohr 34 aufwärts und aus der Brennlinie des Reflektors 32 herausbewegt. Auf diese Weise sind dann die einzigen das Absorberrohr 34 betreffenden Strahlen diejenigen, die durch die Glas-Abdeckung 22 unmittelbar auf das Rohr fallen. Das Absorberrohr 34 bleibt außerhalb der Brennlinie, bis seine Temperatur wieder unter eine gegebene Höhe fällt. Der Mechanismus 72 kann mit einem Alarmmechanismus kombiniert sein, so daß eine Systemstörung angezeigt wird, wenn der Mechanismus 72 betätigt wird.

Der Mechanismus 72 dient als automatisch funktionierende Temperaturregelung oder als Regelung für das Transport-Strömungsmittel zum Wegbewegen aus der Wärmesammelbeziehung mit dem Reflektor 32, wenn die Temperatur den gegebenen Wert überschreitet, und zum Zurückkehren in diese Beziehung, wenn die Temperatur wieder fällt. Dies erfolgt in der nachfolgend beschriebenen Weise, wobei die Temperatur der Transportflüssigkeit unter normalen Betriebsbedingungen innerhalb eines gegebenen Bereichs gehalten werden kann.

Der Mechanismus 72 dient auch dazu, das Absorberrohr 34 in Notsituationen, beispielsweise bei einem Stillstand des Umlaufs, oder auch, wenn das System für eine längere Zeit stillgelegt sein soll,

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zu verschieben. Durch das Entfernen des Absorberrohrs 34 aus der Fokallinie auf hohe Temperaturen hin wird eine eventuelle Schädigung der Absorber-Oberflächenschicht und anderer Teile des Systems als Folge der übermäßigen Temperatur vermieden.

Bei einer Abkühlung des Strömungsmittels bewegen sich die Bimetallstreifen 86 wieder auseinander, wobei die Rollen 80 entlang der Wand 24 nach unten rollen, und das Rohr 34 nimmt wieder die fokusierte Stellung ein, um die Sonnenenergie-Kollektion zu aktivieren.

Um zu verhindern, daß sich die Rollen 80 aus irgend einem Grund an der Wand 24 festhängen, ist der Eingriff zwischen den Platten 90 und 96 vorgesehen, so daß, falls die Trägerplatte 76 sich beim Abkühlen nicht von selbst abwärts bewegt, die mechanische Wechselwirkung der aneinander angreifenden Platten und die sich öffnende Schleife der Streifen 86 die Trägerplatte 76 in die aktive Stellung des Absorberrohrs 34 ziehen. Nach seiner Installation arbeitet der Mechanismus 72 vollautomatisch.

Gemäß den Figuren 3 und 7 arbeitet der Mechanismus 72 im wesentlichen gleich, mit der Ausnahme, daß die Wärme hierbei über die Querträger 36 zu den bimetallischen Streifen 86 übertragen wird. In den Figuren 5 und 7 ist die fokusierte Stellung des Absorberrohrs 34 in durchgehenden Linien eingezeichnet und die nicht-fokusierte Stellung in unterbrochenen Linien eingezeichnet.

Die Figuren 11 bis 13 zeigen eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung zum Bewegen des Absorberrohrs 34 aus seiner fokusierten, aktiven Stellung in eine nicht-fokusierte, unaktive Stellung als Reaktion auf das Erreichen einer gegebenen Temperatur der Transportflüssigkeit. Ein entsprechender Mechanismus 98 weist eine Trägerplatte 100 und zwei Radbaugruppen mit Rollen 102 auf, die an den gegenüberliegenden Flächen der Wand 24 angreifen.

An der Unterseite der Trägerplatte 100 ist ein erster Bimetallstreifen 104 angebracht, der im Bereich eines Endes der Platte 100 von einer Rolle 106 so ergriffen wird, daß er relativ hierzu gleiten kann. Am freien Ende des Streifens 104 ist eine zweite Rolle 108 montiert.

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Unterhalb des Bimetallstreifen 104 ist ein zweiter Bimetallstreifen 110 angeordnet, der im Bereich eines Endes des Trogs 20 von einer Rolle 112 so ergriffen wird, daß er relativ hierzu gleiten kann. Am freien Ende des Streifens 110 ist eine weitere Rolle 114 montiert.

übersteigt die Temperatur der Transportflüssigkeit oder die Oberflächentemperatur des Absorberrohrs einen gegebenen Wert, so bewirkt die durch die Platte 1OO zum Bimetallstreifen 104 übertragene Wärme, daß sich der Streifen 104 von der Platte 100 wegbiegt, wobei die Rolle 108 auf die Unterseite der Platte 100 drückt. Bei sich vergrößerndem Bogen kommt dieser Streifen 104 in Berührung mit dem zweiten Bimetallstreifen 110, der sich dann auch, und zwar vom Trog 20 weg, zu biegen beginnt, wobei die Rolle 114 an der Trogfläche anliegt.. Hierdurch wird bewirkt, daß sich das Absorberrohr 34 aus der Brennlinie des Reflektors 32 heraushebt.

Wenn die Flüssigkeitstemperatur unter den gegebenen Wert fällt, nehmen die Bimetallstreifen 104 und 110 wieder ihre ursprüngliche Stellung gemäß Figur 12 ein.

Die Figuren 14 bis 16 zeigen eine weitere Abwandlung, bei der der Defokusiermechanisraus das Absorberrohr 34 allgemein eher horizontal als vertikal, wie es gemäß den Figuren 3 und 7 bis 13 der EaIl ist, bewegt.

An den vier Ecken des Moduls 10 sind schraubenlinig gewickelte Aktuatoren 120 angebracht. Sie sind durch Wärme deformierbar und bestehen gemäß einer typischen Konstruktion aus Bimetall, jedoch können auch speicherförmige Legierungen (memory shaped alloys) verwendet werden. Die Aktuatoren 120 sind um Gleichmaßstangen 122 gewickelt, die parallel zu deniöllektoren 32 verlaufen, und greifen mit einem Arm 124 am Absorberrohr 34 an, während der andere Arm 126 über jeweils einen Streifen 128 mit der Grundplatte des Trogs 20 verbunden ist. Die Gleichmaßstangen 122 sind an ihren beiden Enden drehbar an Lagern 129 montiert und weisen feste Kurbel.arme 131 auf,

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durch die das Absorberrohr 34 hindurch verläuft.

Normalerweise haben die schraubenlinig gewickelten Aktuatoren 120 die Tendenz, sich abzuwickeln, dem steht jedoch das Anliegen des Absorberrohrs 34 an Anschlagen 130 entgegen. Auf diese Weise wird das Absorberrohr 34 normalerweise in der Fokallinie des Kollektors 32 gehalten. Bei Umgebungstemperatur sind die Abwickelkräfte und die resultierenden Reaktionskräfte an den Anschlägen 130 verhältnismäßig hoch und bei Betriebstemperaturen der Einheit sind sie wesentlich niedriger, sie reichen jedoch noch aus, das Absorberrohr 34 in Berührung mit dem Anschlag 130 und somit das Rohr 34 in seiner fokusierten Stellung zu halten.

Übersteigt jedoch die Temperatur des Absorberrohrs 34 einen gegebenen Wert, so nehmen die Aktuatoren 120 ausreichend viel Wärme auf, um sich gemäß Figur 15 im Uhrzeigersinn aufwickeln zu wollen, so daß die nach unten wirkende Schwerkraft der Anordnung des Absorberrohrs 34 überwunden wird und diese Anordnung schnell im Uhrzeigersinn, vom Ende des Moduls 10 gesehen, verschoben wird und sich in Horizontalrichtung in eine nicht-fokusierte Stellung bewegt, die in Figur 15 in durchgezogenen Linien und in Figur 16 strichpunktiert eingezeichnet ist. Es können (nicht gezeigte) Anschläge vorhanden sein, die das Maß dieser Bewegung begrenzen.

Damit die bimetallischen Aktuatoren 120 nur niedrigen Kräften unterworfen werden, wird das Absorberrohr 34 stets in Horizontalrichtung verschoben. Das VerdrehungsZentrum der Aktuatoren 120 und die stabilisierende Stange 122 weisen also relativ zum Reflektor 32 in Abhängigkeit vom geographischen Ort des Moduls 10 und seiner Ausrichtung relativ zum Horizont verschiedene Stellungen auf. Die Lager 129 können justierbar sein, um unterschiedliche stellungsmäßige Verhältnisse zu wählen. Gemäß Figur 16 sind die Reflektoren 32 mit einem Winkel von 45° angeordnet, was sich für eine geographische Breite von 45° eignet.

Hat sich das Absorberrohr 34 wieder unter die gegebene Temperatur abgekühlt, so kehrt es in seins fokusierte Stellung und in die

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Anlage an den Anschlägen 130 zurück, wenn sich die Aktuatoren abwickeln.

Die Ausfuhrungsform nach den Figuren 3 und 7 bis 16 ist unter Bezugnahme auf eine modulare Einheit mit CPC-Kollektoren beschrieben worden, die beschriebenen Prinzipien können jedoch auch auf eine andere Form fokusierender Kollektoren angewandt werden, die in beliebiger Konfiguration angeordnet sein mögen.

Der Kollektormodul 10 kann auch eine fotoelektrische Funktion ausüben, indem er aufgrund der..gesammelten Solarenergie elektrische Leistung abgibt. Das Absorberrohr 34 kann mit durch Lichtenergie betätigbaren stromerzeugendes Material aufweisende Schichten beschichtet sein, die über eine entsprechende elektrische Verbindung mit dem Bereich außerhalb des Moduls 10 kommunizieren.

Zusammengefaßt ist zu sagen, daß sich die Erfindung auf ein verbessertes modulares Solarenergie-Kollektorsystem vereinfachter Konstruktion und auf ein verbessertes fokusierendes Kollektorsystem mit einer Defokusiereinrichtung bezieht. Dies wurde anhand eines Solarkollektors des CPC-Typs beschrieben. Der Kollektor (10) liegt in modularer Form mit einer Mehrzahl langgestreckter Formen der Reflektoren (32) vor, die in einem äußeren tablettartigen Metalltrog (20) mit einer gläsernen Abdeckung (22) angeordnet sind. Ein Absorberrohr (34) verläuft aufeinanderfolgend durch die Reflektoren (32) und ist normalerweise am Brennpunkt oder an der Brennlinie der Reflektoren (32) angeordnet, wobei ein Strömungsmittel, insbesondere Flüssigkeit, das aufgeheizt werden soll, durch das Rohr fließt. Zur Ermöglichung einer ständigen Wärmeregulierung und .der Möglichkeit des Stillsetzens können die Absorberrohre (34) aus der Brennlinie des Reflektors durch eine automatische Vorrichtung (72, 98, 120) herausbewegt werden, die die zu hohen Temperaturen fühlt und als Reaktion hierauf die defokusierende Bewegung bewirkt. Diese beschriebene Konstellation kann jedoch in verschiedener Hinsicht abgewandelt werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

λ J Solarkollektor mit einem fokusierenden Kollektor, der darin Solarenergie aufnimmt und sie fokusiert, und mit einem ein Strömungsmittel führenden Absorberrohr, das normalerweise im wesentlichen im Fokus des Kollektors angeordnet ist, um die von diesem auf das Rohr am Fokus konzentrierte Solarenergie zu absorbieren und so das Strömungsmittel im Rohr zu erwärmen, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorberrohr (34) bei überschreiten eines gegebenen Werts durch die Absorberrohrtemperatür aus dem Fokus herausbewegbar ist (durch 72, 98, 120).
2. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl der Kollektoren (32) in einem Modul (10) angeordnet ist, das Absorberrohr (34) aufeinanderfolgend durch die Kollektoren(32) verläuft und· Defokusiereinrichtungen (72,98, 120) das Absorberrohr (34) im Modul gleichzeitig aus dem Fokus jedes Kollektors (32) bewegen.
3. Solarkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorberrohr (34) im Bereich jedes Endes seiner durch den

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Bankverbindung· Bayer. Vereintbank München, Konto 620404 (BLZ 700Ϊ0270) ■ Poihxheckkonto: München 27044-802 (BLZ 70010080)

(nur PA Dipl.-Ing. S. Staeger)

ORiGiNAL INSPECTED

einzelnen Kollektor (32) verlaufenden Länge auf einem thermisch leitenden Querträger (36) montiert ist.
4. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Defokusiereinrichtung (72, 98, 120) wärmedeformierbares Material (86; 104, 110; 120) umfaßt, das mechanisch und mit Wärmeübergang mit dem Absorberrohr bzw. mit den Querträgern

(36) verbunden ist und so die Defokusierbewegung des Absorberrohrs (34) bewirkt.
5. Solarkollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Defokusiereinrichtung (72) einen horizontalen Flansch (76) umfaßt, der am Rohr (34) montiert ist,.ferner einen aufrechtstehenden gehäuseartigen Bauteil (84) mit Armen (92), an die sich die wärmeverformbaren, metallischen Streifen (86) normalerweise anlegen, wenn sich das Absorberrohr (34) im Fokus befindet, daß die wärmeverformbaren Streifen (86) mit ihrem oberen Ende am gehäuseartigen Bauteil (84) und mit ihrem unteren Ende an einer Anschlagplatte (9O) montiert sind und daß die Anschlagplatte (90) während einer Bewegung der wärmeverformbaren Streifen (86) aufeinander zu beim Defokusieren an einer Gegen-Anschlagplatte (96) angreift.
6. Solarkollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeverformbare Material (120) streifenförmig um vergleichmäßigende Stangen (122) gewickelt ist, die drehbar an Lagern (129) montiert sind und Kurbelarme (131) aufweisen, durch die das Absorberrohr (34) verläuft, wobei die Streifen aus dem wärmeverformbaren Material (120) mit einem Ende (124) am Absorberrohr (34) angreifen und mit dem anderen Ende (126) am Grundgehäuse (20) festgelegt sind, und daß das Absorberrohr (34), wenn es sich in der fokusierten Stellung befindet, an Anschlägen

(130) angreift.
7. Solarkollektor nach den Ansprüchen 2 und 6, · dadurch gekennzeichnet, daß die vergleichmäßigenden Stangen (122) parallel zu jeder Seite des Moduls (10) verlaufen, daß zwei Streifen aus wärmeverform-

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barem Material (120) auf die Stangen (122) gewickelt sind, nämlich einer an jedem Längsende der Stange, und daß die Streifen so angeordnet sind, daß sie das Absorberrohr (34) beim Defokusieren im wesentlichen in Horizontalrichtung bewegen .
8. Solarkollektor mit einer Mehrzahl individueller, fokusierender Kollektoren, die in einem Modul mit einer transparenten Abdeckung angeordnet sind, und mit einem Absorberrohr, das zusammenhängend von einem Eintritt zu einem Austritt durch die einzelnen Kollektoren verläuft, gekennzeichnet durch einen äußeren tablettförmigen Körper (20) und eine Mehrzahl paralleler, langgestreckter, einzelner Wände (24), die den tablettartigen Körper in eine Mehrzahl paralleler getrennter Abteile (28) teilen, von denen jedes einen der Reflektoren(32) enthält.

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