DE4034224A1 - Vorrichtung zur erfassung der richtung einwirkender waerme und deren nachlauf (z. b. sonnennachlaufvorrichtung) - Google Patents

Description

Vorrichtung zur Erfassung der Richtung einwirkender Wärme und deren Nachlauf (z. B. Sonnennachlaufvorrichtung).

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit deren Hilfe solartechnische Anlagen auf den jeweiligen Stand der Sonne eingestellt und nachgeführt werden. Bei einem Teil dieser Anlagen, z. B. bei Flachkollektoren und photovoltaische Zellen dient diese Nachführung zur Erhöhung des Energiegewinnes, bei konzentrierenden Anlagen, z. B. bei Plan- oder Parabolspiegel ist die Anpassung an den jeweiligen Sonnenstand Voraussetzung für deren Funktion.

Bei bekannten Anordnungen erfolgt die Ausrichtung solartech­ nischer Anlagen durch Motoren, die entweder elektrisch oder mechanisch oder über Computer gesteuert werden. Außerdem gibt es Beschreibungen über Vorrichtungen zum Sonnennachlauf rein mechanischer Art, d. h. daß die Sonnenenergie Bauteile durch teilweise Abschattung ungleichmäßig erwärmt; die sich dadurch ergebenden Längen- oder Volumenänderungen werden in eine Dreh­ bewegung der solartechnischen Anlage umgewandelt, z. B. daß 2 Massen je nach Sonneneinfall den Abstand zum Gesamtschwerpunkt ändern. (Veröffentlichung DE 29 52 950 A1). Die wenig stabile Lage wird durch ein Dämpfungselement verbessert; diese Dämpfung wirkt sich aber nachteilig auf die Reaktionszeit aus, wodurch die beschriebenen Schwingungen um die Ideallinie ent­ stehen.

Eine weitere Möglichkeit zur Umwandlung unterschiedlicher Längenänderungen in eine Drehbewegung des Parabolspiegels wird in EP 15 148 A2 beschrieben. Der Nachteil besteht darin, daß sich die Strahlungsintensität auf die Nachführung auswirkt, d. h. daß sich bei unterschiedlicher Wärmeeinwirkung z. B. zwischen Sommer und Winter verschiedene Einspiellagen ergeben dürften.

Hydraulik- oder Pneumatikzylinder, die durch teilweise Ab­ schatten unterschiedliche Kolbenstellungen erfahren und zur Übertragung in eine Drehbewegung herangezogen werden, haben ebenfalls den Nachteil, daß sich die Strahlungsintensität auswirkt; dadurch wird die Nachführung ungenau. Außerdem dürften diese Vorrichtungen träge reagieren, weil die Erwärmung bzw. Abkühlung relativ großer Massen Voraussetzung für die Längen­ änderungen ist.

Mit der vorliegenden Erfindung können solartechnische Anlagen einfach, schnell und relativ stabil in die geforderte Stellung zur Sonne gebracht und nachgeführt werden, wodurch die Nutzung der Sonnenenergie gesteigert werden kann.

Fig. 1 zeigt einen Stab, dargestellt als kreisrundes, gerades Rohr (Pos. 1), der an einem Ende fest eingespannt ist. Wird dieses Rohr einseitig erwärmt, z. B. durch Sonnenbestrahlung (die Pfeile entsprechen der Wärmeeinwirkung), so erfährt das freie Rohrende eine Auslenkung nach der Formel:

Diese Formel berücksichtigt die unterschiedlichen Längen zwischen der erwärmten und nicht erwärmten Rohrseite bei an­ genommenen Kreisbögen.

d= Durchmesser des Rohres, der abhängig von der Wärmeverteilung in der Rohrwandung anzusetzen ist (für überschlägige Be­ rechnungen dürfte der Innendurchmesser zu einem ausreichend genauen Ergebnis führen).
α= linearer Wärmeausdehnungskoeffizient des Rohrwerkstoffes
Δt= Temperaturunterschied t₁-t₂
l= Rohrlänge

So ergibt sich z. B. für ein Aluminiumrohr mit einer Länge von 1 m und einem Durchmesser von 25 mm bei einem Temperatur­ unterschied von 40° eine Auslenkung von etwa 19 mm.

Die Richtung der Auslenkung ist immer abhängig von der Richtung der einfallenden Strahlen, im vorliegenden Fall wird das Rohr in der Wirkungsebene der Wärmequelle und zwar von der Wärmequelle weg ausgelenkt.

Fig. 2 zeigt eine Möglichkeit wie diese Auslenkung auf eine solartechnische Anlage übertragen werden kann.

Die solartechnische Anlage (Pos. 2) ist nach Nord-Süd ausge­ richtet und drehbar gelagert, so daß eine Drehbewegung im Bereich Ost-West ermöglicht wird. Über eine Linearführung am freien Ende des Rohres wird die jeweilige Richtung der Auslenkung f aufgrund einseitiger Erwärmung auf die Drehachse der Anlage (Pos. 2) übertragen. Die dargestellte Linearführung besteht aus 2 Kugellagern (Pos. 3), die am freien Rohrende an­ gebracht sind und aus 2 Führungsschienen (Pos. 4), die fest mit der Drehachse der solartechnischen Anlage verbunden sind. Der Außendurchmesser der Kugellager entspricht dem Innenmaß der Führungsschienen. Sobald die ohne Wärmeeinwirkung fluchtenden Mittellinien des Rohres A-A mit den Mittellinien der Drehachse der Solaranlage B-B nicht mehr übereinstimmen, weil die ein­ seitige Erwärmung das Rohr um f ausgelenkt hat, rollen sich die Außenringe der Kugellager in den Führungsschienen mit entgegen­ gesetzter Drehrichtung ab und übertragen die Richtung der Aus­ lenkung auf die Achse der solartechnischen Anlage. Dadurch wird im vorliegenden Fall die Solaranlage in die Wirkebene der Wärmequelle (Sonne) geschwenkt. Richtungsänderungen dieser Wirkebene werden automatisch über das Rohr an die Führungs­ schienen und somit an die Solaranlage weitergeleitet.

Änderungen, der auf das Rohr wirkenden Wärmeintensität verursachen nur unterschiedliche Größen der Auslenkung, aber keine Richtungsänderung des freien Rohrendes. Intensitätsschwankungen (Höhe des Sonnenstandes, Winter, Sommer) beeinflussen die Genauigkeit der Einstellung somit nicht. Fig. 3 zeigt in ver­ größertem Maßstab die einzelnen Bauteile und die Funktion der Linearführung.

Fig. 4 zeigt einen Parabolspiegel (Pos. 5) dessen Brennlinie mit der Mittellinie des Rohres ohne Wärmeeinwirkung übereinstimmt. Der Parabolspiegel ist in der Brennlinie drehbar gelagert. Das Rohr ist wie in den bisherigen Beschreibungen an einem Ende fest eingespannt, während das freie Ende über die Linearführung mit der Drehachse des Parabolspiegels verbunden ist. Bei Wärmeeinwirkung wird das freie Rohrende um f senk­ recht nach oben ausgelegt. C und D stellen senkrechte parallele Strahlen dar. Wandert die Wärmequelle in Pfeilrichtung nach links, so treffen die Strahlen in Richtung C′ und D′ auf den Parabolspiegel und werden nicht mehr in die ursprüngliche Brennlinie umgelenkt, die erwärmte Zone des Rohres ver­ schiebt sich nach rechts. Dadurch wird das Rohr parallel zu C′ und D′ ausgelenkt und die Richtungsänderung wird mittels Li­ nearführung auf den Parabolspiegel übertragen; die Strahlen C′ und D′ treffen wieder in die Brennlinie. Je geringer die rückwirkenden Drehmomente vom Parabolspielgel über die Linear­ führung auf das Rohr sind, umso kleiner werden die Nachlauf­ intervalle.

Das Rohr kann mit einer Abschattung (Pos. 6) versehen werden, damit die Strahlen, die ohne Abschattung direkt auf das Rohr treffen würden, keine Störeinflüsse auf die Richtung der Aus­ lenkung verursachen. Diese Abschattung ist mit dem Parabolspiegel fest verbunden und befindet sich somit immer gegenüber dem Parabolspiegel.

Zweckmäßig wird die solartechnische Anlage für den Fall, daß die Sonne nicht scheint, nach Süden ausgerichtet.

Fig. 5 zeigt, wie das freie Ende des Rohres geführt wird, wenn das Rohr keine Wärmewirkung erfährt (dargestellt ist der Fall, daß die Strahlen durch einen Parabolspiegel umgelenkt werden). Diese Führung ist mittig mit einer V-förmigen Vertiefung aus­ bebildet. In diese Führung rollt ein weiteres, ebenfalls am Rohr (Pos. 1) befestigtes Kugellager (Pos. 8), wenn die Wärme­ einstrahlung auf das Rohr nachläßt. Diese Führung ist so an­ geordnet, daß das Rohr in Ruhestellung vorgespannt bleibt, d. h. nach oben gebogen ist. Durch den Hebelarm v wird die Li­ nearführung (Pos. 4) in senkrechter Stellung gehalten, was einer Ausrichtung der Solaranlage nach Süden entspricht. Dieses Prinzip der Vorspannung ist sowohl bei Auslenkung durch direkte Bestrahlung als auch bei Umlenkung der Strahlen durch z. B. einen Parabolspiegel auf das Rohr möglich. Die Führung (Pos. 7) muß nur bei direkter Bestrahlung des Rohres um 180°C verdreht angeordnet werden.

Die bisher aufgezeigten Nachführungen bei Umlenkung der Strahlen mittels Parabolspiegel funktioniert nur, wenn sich die Wärmequelle innerhalb eines bestimmten Bereiches befindet, in Fig. 4 mit bezeichnet. Wie ein Nachlauf auch außerhalb dieses Be­ reiches (z. B. bei Sonnenaufgang) erreicht wird, zeigen die Fig. 6 und 7.

In Fig. 6 wird der Parabolspiegel beidseitig so verlängert, daß bei jedem Einfallswinkel eine Umlenkung der Strahlen auf das Rohr sichergestellt ist. Wie in Fig. 6 konstruiert, werden die Strahlen auf eine, den einfallenden Strahlen gegenüber­ liegende Zone am Rohrumfang projiziert; dies geschieht im Be­ reich der Kurve von A bis B. Hier werden die innerhalb des Winkels 90°-α°- einfallenden Strahlen auf die jeweilige Rohr­ zone reflektiert. Bis zum Punkt A ist die gezeichnete Kurve eine Parabel, welche die senkrecht einfallenden Strahlen in die Rohrmitte = Brennpunkt umlenkt. Diese Kurve ist mit den Strahlen 1 bis 4 konstruiert, wobei der Winkel α° den Stand der Sonne beim Aufgang bzw. Untergang angibt, bei welchem die Sonnen­ energie erst bzw. noch genutzt werden kann. Das Rohr wird in Richtung zu den einfallenden Strahlen hin ausgelenkt und nach Überwindung der Vorspannung v richtet sich der Parabolspiegel zur Sonne aus.

Eine andere Möglichkeit des Nachlaufes bei beliebigem Ein­ fallswinkel wird in Fig. 7 gezeigt. Hier ist das Rohr teil­ weise durchscheinend. Dadurch wird erreicht, daß die Strahlen größtenteils auf die den einfallenden Strahlen gegenüberlie­ gende Rohrwandung treffen und so das Rohr ebenfalls zu den einfallenden Strahlen hin auslenken.

Eine weitere Anwendung dieser Erfindung besteht darin, daß über ein Getriebe beliebige Nachstellwinkel des Kollektors gegenüber dem Sonnenlauf eingestellt werden.

In Fig. 8 sind ein Radsegment mit Innenverzahnung (Pos. 9) und ein Segment mit Außenverzahnung (Pos. 9′) im Eingriff. Das Durchmesserverhältnis beträgt 2 : 1. An der Achse des großen Rades ist ein Spiegel (Pos. 10) befestigt. Die Achse des kleinen Rades wird, wie eingangs beschrieben durch das Rohr (Pos. 1) bei einseitiger Wärmeeinwirkung zur Sonne ausgerichtet. Bei dem gewählten Übersetzungsverhältnis wird der Kollektor nur um den halben Winkel gegenüber dem Rad (Pos. 9′) gedreht; dadurch behalten die umgelenkten Strahlen immer ihre Richtung bei.

Diese Vorrichtung ist besonders zur Nachführung von Kolleltoren in evakuierten Glasröhren, in Wintergärten und in der Weltraumfahrt geeignet, weil hier auf die Kollektoren keine Windkräfte einwirken. Bei der Ausnutzung dieser Auslenkung zur Steuerung eines Motors, können Windkräfte verhindert werden.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Erfassung der Richtung einwirkender Wärme, insbesondere für den Sonnennachlauf bei Solaranlagen, bestehend aus einem Sonnenkollektor und einem Rohr mit rundem Querschnitt, das an einem Ende fest eingespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Rohrende bei einseitiger Wärmeeinwirkung eine Auslenkung in einer bestimmten Richtung erfährt und daß dieses ausgelenkte freie Ende des Rohres in einer Führung gleitet, die über eine drehbar gelagerte Welle fest oder über ein Getriebe mit dem Sonnenkollektor verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkung des freien Rohrendes einen Antriebsmotor über einen Kontakt oder Mithilfe berührungsloser Übertragung steuert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkung des freien Rohrendes sowohl durch direkte Sonnen­ einwirkung als auch durch mit Spiegeln umgelenkte Sonnenein­ strahlung hervorgerufen wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiegel über ein Getriebe um einen beliebigen Winkel gegenüber der Sonne nachgeführt wird. (Wird ein Spiegel nur um den halben Winkel gegenüber der Sonne nachgeführt, behalten die umgelenkten Strahlen die Richtung bei.)

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr durch Vorspannung den Kollektor nach Süden ausrichtet, falls die Sonne nicht scheint.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Form des Parabolspiegels jeder beliebige Einfalls­ winkel der Sonnenstrahlen zum Nachlauf führt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr stellenweise lichtdurchlässig ist und dadurch die Auslenkung nicht von den einfallenden Sonnenstrahlen weg, sondern zu den Strahlen hin gerichtet ist.