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Sonnenkollektorsystem mit mehreren verstellbaren
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Hohlspiegel-Reflektoren
Die Erfindung betrifft ein
Sonnenkollektorsystem, umfassend mehrere parallel zueinander in einem Halterahmen
o. dgl.
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angeordnete, rinnenförmige Hohlspiegel-Reflektoren, welche jeweils
um eine zu ihrer Längsachse parallele Drehachse drehbar gelagert sind, sowie umfassend
jeweils ein jedem Reflektor zugeordnetes, im Bereich der Fokuslinie des Reflektors
angeordnetes, ein Wärmeträgermedium führendes Kollektorrohr.
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Kollektorsysteme der genannten Art gehören zu den hocheffizienten
Systemen, mit denen infolge der Fokussierung der aufgenommenen Sonnenstrahlung sehr
viel höhere Temperaturen erreichbar sind als mit einfachen Flachkollektoren bzw.
mit diffuses Licht verwertenden Absorberanlagen.
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Während mit den letzteren nur eine Brauchwassertemperatur erreichbar
ist, lassen sich auch mit sogenannten ein dimensional fokussierenden Systemen der
eingangs genannten Art Kesseltemperaturen für Wärmekraftmaschinen erreichen.
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Zur Verbesserung der Ausbeute werden die Reflektoren mehr oder weniger
exakt dem Lauf der Sonne nachgeführt. Das in den Kollektorrohren fließende Wärmeträgermedium
wird beispielsweise über Anschlußleitungen einem Wärmetauscher zugeführt, wo es
auf die Rücklauftemperatur abgekühlt wird.
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Es ist bereits ein Sonnenkollektorsystem der eingangs genannten Art
bekannt, bei welchem die Kollektorrohre jeweils fest-mit den Reflektoren, denen
sie zugeordnet sind, verbunden sind. Sie werden durch an den Reflektoren befestigte
Haltearme gehalten derart, daß ihre Mittelachse etwa mit einer Fokuslinie zusammenfällt,
die sich bei einem bestimnrten Einfallswinkel der Sonne ergibt (US-PS 4 000 734).
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Dieses bekannte Sonnenkollektorsystem ist sehr aufwendig und teuer,
da die Kollektorrohre jeweils mit den zugeordneten Reflektoren zusammengebaut werden
müssen. Außer dem ergibt sich für die Reflektoren ein relativ großer
Einbauraumbedarf,
da der Schwenkkreis des im Abstand vom Reflektor angeordneten Kollektorrohres mitberücksichtigt
werden muß.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sonnenkollektorsystem
der eingangs genannten Art zu schaffen, welches einfach und kompakt im Aufbau sowie
einfach in der Montage ist und dessen erforderliches Einbauvolurner, bezogen auf
gleiche Leistungen, klein gehalten werden kann.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das einem Reflektor
zugeordnete Kollektorrohr jeweils an der Rückseite eines benachbarten Reflektors
angeordnet ist.
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Auf diese Weise ergibt sich eine sehr kompakte Bauweise, einnimmt,
da das Kollektorrohr keinen eigenen Schwenkraum da es sich stets innerhalb des vom
Reflektor ohnehin benötigten Schwenkraumes befindet. Durch die erfindungsgemäße
Anordnung läßt sich der Reflektor auch herstellungstechnisch sowie montagetechnisch
beträchtlich vereinfachen. Dazu ist nach einem Merkmal der Erfindung vorgesehen,
daß das Kollektorrohr jeweils gleichzeitig als am Halterahmen gelagerte Drehachse
für den mit ihm verbundenen Reflektor ausgebildet ist. Das Reflektorrohr übernimmt
auf diese Weise zwei Funktionen, nämlich einerseits als Halterung und Drehlagerung
für einen Reflektor, sowie andererseits als Kollektor für den benachbarten Reflektor
zu dienen.
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Es läßt sich zeigen, daß die Reflektoren der Sonnenbahn so. nachgeführt
werden können, daß die einfallenden Sonnenstrahlen jederzeit auf das mit dem benachbarten
Reflektor verbundene Kollektorrohr fokussiert werden.
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Das bekannte Sonnenkollektorsystem kann nur in der beschriebenen Art
wirken, d.h. es arbeitet rlur bei Sonnenschein.
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Da es bei bedecktem Himmel wirkungslos ist, ist der gesamte, über
das Jahr gemittelte Wirkungsgrad eines derartigen
Systems in den
mittleren Breiten, in denen die Zahl der Sonnentage verhältnismäßig klein ist, nur
gering. An sonnen losen Tagen kann Sonnenenergie im wesentlichen nur über Absorbersysteme
gewonnen werden. Es ist deshalb nach einem Merkmal der Erfindung vorgesehen, daß
die Reflektor ren auf ihrer Rückseite mit einer stark lichtabsorbierenden Oberfläche
versehen sind und daß sie bis in eine diese Rück seite der Sonne zuwendende Lage
verdrehbar sind. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Sonnenkollektorsystem
sowohl aLs fokussierendes System sowie auch als Absorbersystem betrieben werden,
wodurch der Gesamtwirkungsgrad erheblich verbessert werden kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Reflektoren in einem
etwa ihrer Breite entsprechenden Abstand voneinander angeordnet. Auf diese Weise
können die Kollektoren in eine Lage verstellt werden, in der sie eine lückenlose,
geschlossene Fläche bilden, so daß sich vor allem im Betrieb als Absorber eine maximale
Ausbeute ergibt.
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Die Kollektoren können mit den Reflektoren jeweils zu einem Bauteil
verbunden werden. Besondere Vorteile ercesen sich jedoch dann, wenn erfindungsgemäß
die Kollektorrohre mit dem Reflektor jeweils ein integriertes bzw. einstückiges
Bauteil bilden. Dieses kann erfindungsgemäß in einem einzigen Arbeitsgang, beispielsweise
als Aluminium-Strangprofil, hergestellt werden. Die Vorderseite wird erfindungsgemäß
spiegelpoliert und/oder hochglanzbeschichtet, die Rückseite mit einer lichtabsorbierenden
Schicht belegt.
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Auch diese Behandlungen des Strangprofils können im Durchlaufverfahren
erfolgen.
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Die Kollektorrohre können zur Verbesserung des Wärmeüberganges innen
oder außen mit Rippen versehen sein, was ebenfalls schon beim Strangpreßvorgang
geschehen kann.
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Zur Verstellung der Reflektoren ist vorgesehen, daß alle Reflektoren
eines Halterahmens über eine gemeinsame, jeweils an am Reflektor ausgebildeten Anlenkpunkten
angelenkte Befestigungsstange verstellbar sind.
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Für die räumliche Ausrichtung der Reflektoren bestehen verschiedene
Möglichkeiten. Um die Steuerung einfach zu gestalten, werden die Reflektoren vorzugsweise
jeweils nur in einer Ebene der Sonnenbahn nachgeführt. Dazu wird der Halterahmen
so aufgestellt, daß die Drehachsen der Reflektoren etwa senkrecht zu einer mittleren
Sonnenbahnebene ausgerichtet sind (in unseren Breiten etwa 450 gegen den Horizont),
und daß die Reflektoren der täglichen Sonnenbahn von Ost nach West nachgeführt werden.
Eine andere Möglichkeit ist, die Halterahmen so aufzustellen, daß die Drehachsen
der Reflektoren etwa parallel zu dieser mittleren Sonnenbahnebene und etwa in Ost-West-Richtung
ausgerichtet sind, und daß die Reflektoren der sich im Laufe eines Tages ändernden
Sonnenhöhe nachgeführt werden.
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Zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Sonnenkollektorsystems ist erfindungsgemäß
vorgesehen, daß die Reflektoren zwischen einer lichtdurchlässigen Glasscheibe o.dgl.
sowie einer Schicht aus wärmeisolierendem Material angeordnet sind. In weiterer
Ausgestaltung der Erfindung sind die Reflektoren in einem evakuierten bzw. mit einem
trockenen Gas gefüllten dichten Kasten odgl. angeordnet.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Reflektoren zwischen
zwei Scheiben eines doppelt verglasten Fensters jalousieartig angeordnet. Sie halten
dann je nach öffnungsstellung einerseits die direkte Sonnanstrahlung fern und verwerten
diese beispielsweise für die Erwärmung von Brauchwasser oder zur Bctroil)en einer
Ahsorber-Kühlanlage. Das diffuse Licht kann zwischen den
AUflektoren
hindurchtreten.
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Der Halterahmen mit den Reflektoren kann auch gleichzeitig andere
Funktionen übernehmen, beispielsweise als Balkongeländer bzw. Brüstungsgeländer.
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Die Querschnittsform der Reflektoren ist vorzugsweise ein Parabolprofil.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen,
aus der Zeichnung sowie der darauf bezogenen Beschreibung. Mehrere Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen: Fig. 1 ein in einem geschlossenen Kasten angeordnetes Sonnenkollektorsystem
im Fokussierbetrieb Fig. 2 ein Sonnenkollektorsystem gemäß Fig. 1 im Absorberbetrieb;
Fig. 3 schematisch ein Sonnenkollektorsystem gemäß den Fig. 1 und 2 in anderer Aufstellung;
Fig. 4 ein mit einem Fenster kombiniertes, jalousieartiges Sonnenkollektorsystem;
Fig. 5 ein sonnendachartig mit einem Fenster kombiniertes Sonnenkollektorsystem;
Fig. 6 eine Schnittdarstellung eines stranggepreßten Reflektors; Fig. 7 bis 10 verschiedene
Ausgestaltungen von Reflektoren.
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Das in Fig. 1 dargestellte Sonnenkollektorsystem besteht im wesentlichen
aus einem Halterahmen 2, an welchem mehrere Reflektoren 4 um ihre Drehachsen 6 schwenkbar
gelagert sind.
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Die Vorderseite 8 eines jeden Reflektors 4 ist mit einer spiegelnden
Oberfläche versehen, d.h. spiegelpoliert und/ oder mit einem spiegelnden Uberzug
versehen. Auf der Rückseite 10 eines jeden Reflektors 4 ist ein Kollektorrohr 12
angeordnet. Das Kollektorrohr jedes Reflektors liegt in der Fokuslinie des benachbarten
Reflektors, wie in Fig. 1 zu erkennen ist. Bei einer Veränderung des Sonnenstandes
werden die Reflektoren gemeinsam so verschwenkt, daß die einfallenden Strahlen 14
der Sonne stets zum zugeordneten Kollektorrohr 12 reflektiert werden.
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In den Kollektorrohren fließt ein Wärmeträgermedium, welches im Sonnenkollektorsystem
aufgeheizt wird und diese Wärme beispielsweise in einem Wärmetauscher abgibt, wie
nicht näher dargestellt zu werden tauchte. Da die Kollektorrohre 12 selbst die Drehachsen
für die Reflektoren 4 bilden, können sie direkt ohne flexible Verbindungsleitungen
mit den Vorlauf- bzw. Rücklaufrohren verbunden sein.
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Das Vorlaufrohr 16 sowie das Rücklaufrohr 18 bilden zusammen mit einem
Verbindungsrohr 20 gleichzeitig den Hålterahmen 2.
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Das gesamte Sonnenkollektorsystem ist in einem luftdichten Kasten
22 angeordnet, dessen Boden 24 sowie die Seitenwände 26 aus einem wärmeisolierenden
Material bestehen, und dessen der Sonne zugewandte Oberseite beispielsweise ein
Glasscheibe 28 ist. Das dargestellte Sonnenkollektorsystem ist beispielsweise so
ausgerichtet, daß die Drehachsen 6 der Reflektoren 4 horizontal liegen und in Ost-West-Richtung
zeigen, wobei die Reflektoren 4 dem veränderlichen 1'Iöentantl der Sonnc i in 1'(Uf.(
des 'l'aq(^s nachgeführt werden.
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Fiq. 2 zeigt eine Anordnung gemäß Fig. 1, wobei gleiche Gegenstände
mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die Reflektoren 4 sind um ihre Drehachsen
6 soweit gedreht, daß ihre Rückseiten 10 nach oben zeigen. Die Breite b entspricht
dem Abstand a der Reflektoren 4, so daß sie in der dargestellten Stellung eine lückenlose
Absorberfläche bilden. In dieser Lage ist das Sonnenkollektorsystem zur Verwertung
der Umweltwärme bei bedecktem Himmel geeignet.
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Die von den Reflektoren aufgenommene Wärme wird über Wärmeleitung
an die Kollektorrohre gegeben, -das darin strömende Wärmeträgermedium gibt seine
Wärme entweder direkt weiter oder beispielsweise über eine Wärmepumpe, wie nicht
näher erläutert zu werden braucht.
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Fig. 3 zeigt eine Anordnung, bei welcher die Drehachsen 30 der Reflektoren
32 etwa senkrecht stehen; diese-Anordnung erlaubt es, die Reflektoren 32 dem Lauf
der Sonne von Ost nach West im Laufe eines Tages nachzustellen. Da die Wanderung
der Sonne von Ost nach West einen wesentlich größeren Winkel überdeckt als die EXöhenänderung
der Sonne im Laufe eines Tages, ist eine Verstellung in Ost-West-Richtung wesentlich
effektiver als die Höhennachführung, so daß sich mit einer derartigen Anordnung
ein höherer Wirkungsgrad erzielen läßt. Die gezeigte Anordnung ist etwa für hohe
Breiten geeignet, in denen die Sonne nur in eine geringe Höhe über den Horizont
aufsteigt. In niedrigeren Breiten wird das Sonnenkollektorsystem vorzuqsweise so
geneigt, daß die Drehachsen 30 senkrecht auf einer über ein Jahr gemittelten Sonnenbahnebene
steht.
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Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei welcher das Sonnenkollektorsystem
jalousieartig zwischen den Glasscheiben 34 sowie 36, 38 eines Fensterrahmens 40
angeordnet sind.Die Reflektoren 42 weisen wiederum an ihren Rückseiten 44 Kollektorrohre
46 auf, auf die das einfallende Sonnenlicht 48 eines
jeweils benachbarten
Reflektors 44 fokussierbar ist. Es ist zu erkennen, daß bei der dargestellten Stellung
der Reflektoren 42 das direkte Sonnenlicht 48 an einem Durchtritt durch das Fenster
gehindert wird, während das diffuse Sonnenlicht 50 hindurchtritt. Das in den Kollektorrohren
46 erwärmte Wärmeträgermedium wird wiederum durch ein Rücklauf rohr 52 dem Sonnenkollektorsystem
zugeführt, und tior durch ein Rücklauf rohr 54 einer-Einrichtung zugeführt, in der
die aufgenommene Wärme verwertet wird. Eine Anordnung gemäß Fig, 4 ist beispielsweise
für sehr warme, sonnenreiche Zonen geeignet, wobei die vom Sonnenkollektorsystem
aufgenommene Wärme beispielsweise zum Betreiben einer Kühl- oder Klimaanlage verwendet
werden kann.
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Fig. 5 zeigt ein anderes Anwendungsbeispiel, bei welchem das Sonnenkollektorsystem
vordachartig horizontal über einem Fenster 56 angeordnet ist. Die Reflektoren 58
verhindern den Zutritt des direkten Sonnenlichtes 60 zum Fenster 56, ohne den Zutritt
des diffusen Sonnenlichtes zu behindern. Bei bedecktem Wetter können die Reflektoren
58 ähnlich wie in Fig. 2 so geschwenkt werden, daß die lichtabsorbierenden Rückseiten
62 der Reflektoren nach oben zeigen. In dieser Stellung haben die Reflektoren gleichzeitig
eine regenabschirmende Vordachfunktion.
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Fig. 6 zeigt einen Abschnitt eines Reflektors 64, welcher beispielsweise
als Strangprofil hergestellt ist. Das Kollektorrohr 66 ist mit dem Reflektor 64
einstückig ausgebildet. Gleichzeitig ist ein Schienenprofil 68 angeformt, welches
zum Befestigen einer Betätigungsstange 70 dient. Der Anschluß des Kollektorrohres
66 an einen Vorlauf bzw. Rücklauf wird durch ein in das Kollektorrohr hineingestecktes
Anschlußrohr 72 bewirkt, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser des Kollektorrohres
66
entspricht. Der Reflektor 64 ist beispielsweise auf dem Anschlußrohr
72 drehbar gelagert.
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Fig. 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Reflektors 74,
an dessen Rückseite ein Halteprofil 76 ausgebildet ist, welches ein Kollektorrohr
78 umfaßt. Der Reflektor 74 ist vorzugsweise auf dem feststehenden Kollektorrohr
78 verdrehbar.
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In Fig. 8 ist ein Ausführungsbeispiel eines Reflektors 80 dargestellt,
welcher wiederum mit dem Kollektorrohr 82 einstückig ausgebildet ist. An der Innenseite
sowie der Außenseite des Kollektorrohres 82 sind Rippen 84, 86 ausgebildet,welche
einerseits die wärmeabsorbierende Außenoberfläche vergrößern soll, andererseits
für einen besseren Wärmeübergang vom Kollektorrohr auf das WärmetrEgermedium sorgen
soll.
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Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem das Kollektorrohr
88 über einen dünnen Steg 90 mit dem Reflektor 92 verbunden ist. Dadurch soll bewirkt
werden, daß der Wärmeübergang zwischen Kollektorrohr 88 und Reflektor 92 trotz einstückiger
Ausbildung möglichst gering ist.
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Fig. 10 zeigt eine Anordnung, bei welcher das Kollektorrohr 94 unsymmetrisch
am Reflektor 96 angeordnet ist. Durch Abstimmung der Lage der Drehachse sowie der
Profilform des Reflektors läßt sich erreichen, daß sich die Sonnenstrahlung in einem
großen Bereich des Einfallswinkels stets genau zu dem mit dem benachbarten Reflektor
verbundenen Kollektorrohr fokussieren läßt. Es sei erwähnt, daß die ReElektoren
im Querschnitt vorzugsweise ein Parabolprofil bilden, wobei nur der achsennahe Ausschnitt
verwendet wird,
so daß sich ein sehr flach gekrümmter Spiegel ergibt.
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Fig. 10 läßt außerdem erkennen, daß das stranggezogene Reflektorprofil
auf seiner Vorderseite mit einer hochspiegelnden Oberfläche 98 versehen ist, die
beispielsweise durch Spiegelpolieren oder durch Aufbringen einer hochglänzenden
Schicht erreicht wird. Die Rückseite ist mit einer stark lichtabsorbierenden Beschichtung
100 versehen.
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Es sei auch erwähnt, daß die Kollektorrohre jeweils als sogenannte
"heat-pipes" ausgebildet sein können, bei denen in bekannter Weise unter Zuhilfenahme
eines bei den erreichbaren Temperaturen verdampfenden Mediums und durch ungleiche
Erwärmung der beiden Rohrenden ein Energietransport innerhalb des Rohres vom warmen
Ende zum kühleren Ende stattfindet, wie hier nicht näher erläutert werden soll.