DE4221896A1 - Solaranlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Solaranlage mit wenigstens einem um wenigstens eine Schwenkachse dem Sonnenstand nachführbaren Um­ lenkmittel zum Umlenken einfallender Sonnenstrahlung auf einen Empfänger und mit wenigstens einer Verstellvorrichtung für das wenigstens eine Umlenkmittel.

Bei einer bekannten Sonnenenergieanlage (DE-PS 34 09 710) mit einem Sonnenstrahlungsempfänger und einem auf einer Stütz- und Drehvorrichtung montierten Heliostaten ist eine Vorrichtung zur Verfolgung der Sonnenbewegung vorgesehen. Die Nachführung er­ folgt durch Drehung einer in bezug auf die Erdoberfläche unter einem Winkel gleich der geographischen Breite des Aufstellungs­ ortes der Sonnenenergieanlage angeordneten Antriebswelle mit konstanter, der Winkelgeschwindigkeit der Erdrotation entspre­ chender Winkelgeschwindigkeit. Die Antriebswelle ist kinematisch mit dem Heliostaten über eine feste Zugstange und eine Teles­ kopstange verbunden. Zu Beginn eines jeden Arbeitstages muß die feste Zugstange durch Änderung der Länge der Teleskopstange auf die jeweilige Tagesdeklination der Sonne eingestellt werden. Darüber hinaus muß die Länge der festen Zugstange sowie der Ab­ stand zwischen ihrer Anlenkstelle an der getriebenen Welle so­ wie dem Schnittpunkt der Hauptwelle mit einer zusätzlichen Querwelle der Stütz- und Drehvorrichtung jeweils bei der Umrü­ stung der Anlage auf das Winterhalbjahr geändert werden.

Aus der EP-PS 251 162 ist eine Beleuchtungsvorrichtung mit na­ türlichem Licht mit einem um zwei senkrecht zueinanderstehenden Achsen drehbaren Spiegel bekannt. Des weiteren sind den beiden Achsen zugeordnete Abtastmittel vorgesehen, welche eine bezüg­ lich ihrer Zuordnungsachse relevante Richtung einer Lichtquelle (z. B. der Sonne) abtasten. Die Abtastmittel sind insbesondere Fotosensoren, die elektrisch mit einer elektrischen Kontroll­ einheit verbunden sind, welche wiederum zwei den beiden Dreh­ achsen der Anlage zugeordnete elektrische Antriebseinheiten steuert. Diese Antriebseinheiten führen sowohl die Fotosensoren als auch den Spiegel der Sonnenbewegung nach, wobei an einer der Achsen Mittel vorgesehen sind zur Beibehaltung einer festen Abstrahlrichtung des Lichts auf einen feststehenden Empfänger. Diese Mittel arbeiten mit einem Übertragungsverhältnis von 1 : 2, so daß sich der Spiegel nur mit einer in bezug auf die Sonne gesehenen halben Winkelgeschwindigkeit verstellt.

Aus der DE-OS 37 31 515 ist eine Sonnenstrahlen-Sammelvorrich­ tung bekannt, mit einer Lichtstrahl-Sammelvorrichtung und einer Lichtstrahlen reflektierenden Vorrichtung,in welcher die Licht­ strahlen reflektierende Vorrichtung an einer von der Licht­ strahlen-Sammelvorrichtung entfernten Stelle zum Reflektieren der Sonnenstrahlen und zum Fokussieren derselben auf die Licht­ strahlen-Sammelvorrichtung angeordnet ist. Die Richtung der Son­ ne wird dabei durch einen an der Sammelvorrichtung angebrachten Lichtstrahlen-Richtungsfühler ermittelt, welcher die von der Reflektionsvorrichtung reflektierten Sonnenstrahlen in horizon­ taler und vertikaler Richtung wahrnimmt. Somit erzeugte Wahrneh­ mungssignale werden auf eine Steuervorrichtung geleitet, welche Steuersignale an Verstellmotoren der Reflektionsvorrichtung ab­ gibt. Die Steuersignale lassen die Motoren so rotieren, daß die jeweiligen Wahrnehmungssignale des Lichtstrahlen-Richtungsfüh­ lers einander angeglichen werden. Da die Stellung der Sonne und ihre Höhe während des ganzen Jahres genau bekannt sind, kann während des ganzen Jahres die Zeit, während der Schatten auf die Lichtstrahlen-Sammelvorrichtung fällt, berechnet und der Drehwinkel dementsprechend programmiert werden, so daß die Re­ flektionsvorrichtung nur dann Lichtstrahlen auf die Sammelvor­ richtung reflektiert, wenn diese beschattet wird. Gelangen Son­ nenstrahlen direkt zur Lichtstrahlen-Sammelanordnungsvorrich­ tung, so gibt die Steuervorrichtung einen Befehl aus, den Son­ nenstrahlen direkt zu folgen und die Anwendung der Lichtstrah­ len reflektieren Vorrichtung zu beenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solaranlage mit vereinfachtem Betrieb bereitzustellen, die ohne zusätzliche ma­ nuelle Einstellungsmaßnahmen und elektronisch gesteuerte Ver­ stellvorrichtungen auskommt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die das Nachführen des Umlenkmittels bewirkende Verstellvorrichtung einen von einem auf Abweichungen des Sonneneinfallswinkels reagierenden Sensor gesteuerten passiven Antrieb enthält, der mittels einer Über­ tragungseinrichtung in einem vorbestimmten Übertragungsverhält­ nis mit dem Umlenkmittel gekoppelt ist.

Der Sensor des passiven Antriebs reagiert unter Ausnutzung der Strahlungsenergie der Sonne selbständig auf Abweichungen des Sonneneinfallswinkels. Mittels der Übertragungseinrichtung wird unter Berücksichtigung der geometrischen Anordnung von Umlenk­ mittel und Strahlungsempfänger und den daraus resultierenden Bedingungen an Einfalls- und Ausfallswinkel der umgelenkten Sonnenstrahlung, ohne daß ein zusätzlicher Energie- und Steue­ rungsaufwand nötig ist, die Nachführbewegung des passiven An­ triebs in einem bestimmten Übertragungsverhältnis auf das Um­ lenkmittel übertragen.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der passive Antrieb ein thermohydraulischer Antrieb. Jeder thermohydrauli­ sche Antrieb weist dabei zwei im wesentlichen zu einer gemein­ samen Schwenkachse parallele, mit einem sich temperaturabhängig ausdehnenden Antriebsmittel befüllte und an ein gemeinsames Verstellglied der Verstellvorrichtung angeschlossene Absorber­ rohre auf, denen Abschatt- und Reflexionsmittel zur unterschied­ lichen Bestrahlung der beiden Absorberrohre bei einer Abwei­ chung des Sonneneinfallswinkels zugeordnet sind. Eine asymme­ trische Bestrahlung der Absorberrohre bewirkt eine Druckände­ rung im Antriebsmedium eines jeden Absorberrohres. Dieser Druck­ unterschied wird über Leitungen auf ein geeignetes hydrauli­ sches Verstellglied, z. B. einen Schwenkmotor gegeben, welcher die Absorberrohre derart der Sonnenbewegung nachführt, daß die Flächennormale der die beiden Absorberrohrmittelachsen verbin­ denden Ebene stets zur Sonne weist, d. h. einen Sonnenzeiger bildet.

In vorteilhafter Ausführung der Erfindung ist das Umlenkmittel der Solaranlage getrennt vom Empfänger angebracht. Vorteilhaf­ terweise ist das Umlenkmittel dabei um eine oder zwei Schwenk­ achsen durch jeweils eine Verstellvorrichtung mit einem Über­ tragungsverhältnis von 1 : 2 der Sonnenbewegung nachführbar, so daß die Flächennormale des Umlenkmittels stets die Winkelhal­ bierende des Winkels zwischen der Sonneneinstrahlungsrichtung und der Verbindungsebene zwischen Umlenkmittel und Strahlungs­ empfänger darstellt.

Eine weitere Ausführung sieht vor, daß eine Vielzahl von Um­ lenkmitteln, deren Schwenkachsen parallel zueinander liegen, zur Sonnenbewegungsnachführung an die Verstellvorrichtung eines einzelnen dieser Umlenkmittel angekoppelt ist. Somit muß also nur noch eines von mehreren Umlenkmitteln mit einem Sensor und einem passiven Antrieb ausgestattet werden. Alle weiteren Um­ lenkmittel, sofern ihre Drehachsen alle parallel zueinander liegen, werden an der Verstellvorrichtung dieses Umlenkmittels angekoppelt und folgen so der Sonnenstandsbewegung mit der er­ forderlichen Winkelgeschwindigkeit. Im Falle einer Reflektoran­ ordnung mit einer Vielzahl von lamellenförmigen Umlenkmitteln mit parallelen Lichtausfallsebenen kann eine direkte Kopplung der einzelnen Umlenkmittel mit der Übertragungseinrichtung des mit einer Verstellvorrichtung versehenen Umlenkmittels erfolgen, während im Falle einer aus einer Vielzahl von lamellenförmigen Umlenkmitteln bestehenden Konzentratoranordnung jedem der un­ tereinander gekoppelten Sonnenzeiger, der einzelnen Umlenkmit­ tel eine Übertragungseinrichtung zugeordnet ist zur Übertragung der Sonnennachführbewegung auf das Umlenkmittel in einem vorbe­ stimmten Übertragungsverhältnis.

Eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Solaranlage sieht vor, daß das Umlenkmittel der Anlage um zwei Schwenkachsen durch je­ weils eine Verstellvorrichtung mit einem Übertragungsverhältnis von 1 : 2 der Sonnenbewegung nachführbar ist. Dabei entspricht die erste der beiden Schwenkachsen der Azimutalnachführung des Umlenkmittels, die zweite Schwenkachse der Elevationsnachfüh­ rung. Beide Achsen stehen senkrecht zueinander, und in beide Richtungen wird jeweils die Flächennormale des Umlenkmittels auf die jeweilige Winkelhalbierende zwischen Sonneneinfallsrichtung und der Abstrahlrichtung zum Empfänger eingestellt.

In anderer Ausgestaltung der Erfindung ist das Umlenkmittel um eine erste, in einer Ebene des Umlenkmittels liegende Schwenk­ achse durch eine erste Verstellvorrichtung mit einem Übertra­ gungsverhältnis 1 : 2 der Sonnenbewegung nachführbar. Die ent­ sprechende zweite Schwenkachse verläuft senkrecht zur ersten Schwenkachse und durchstößt eine Ebene des Umlenkmittels in Richtung des Empfängers, wobei die Nachführung um diese zweite Schwenkachse mit einem Übertragungsverhältnis 1 : 1 erfolgt.

In weiterer Ausführung der Erfindung ist das Umlenkmittel un­ mittelbar neben dem Empfänger angebracht und dabei um eine in der Ebene des Empfängers liegende Achse drehbar. Verfügen der Strahlungsempfänger und das Umlenkmittel über die gleiche Brei­ te, so überträgt die Verstellvorrichtung die Bewegung des ther­ mohydraulischen Antriebs vorteilhafterweise in einem solchen Verhältnis auf das Umlenkmittel, daß der Nebenwinkel zum Winkel zwischen dem Umlenkmittel und dem Empfänger zwei Drittel des in Richtung des Nebenwinkels gelesenen Winkel zwischen der Sonnen­ einstrahlung und der Empfängerebene beträgt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die sonnenfolgende Bewegung des thermohydraulischen Antriebs mittels einer mecha­ nischen Übertragungseinrichtung auf die zugeordnete Schwenkach­ se des Umlenkmittels übertragen.

Vorteilhafterweise ist die mechanische Übertragungseinrichtung ein Zahnrad- oder ein Riemengetriebe. In anderer Ausführung kann die mechanische Übertragungseinrichtung ein Gelenkviereck in Art eines Pantographen sein.

In Ausgestaltung der Erfindung ist das Umlenkmittel um eine erste, in einer Ebene des Umlenkmittels liegende Schwenkachse der Sonnenbewegung unter Einhaltung der Reflexionsbedingung zum Umlenken der Lichtstrahlung auf den Empfänger nachführbar, wo­ bei der auf Abweichungen des Sonneneinfallswinkels reagierende Sensor des Antriebs auf das Umlenkmittel gerichtet ist. Durch eine solche Anordnung entfällt das Nachführen des Sensors der Sonnenbewegung. Der im wesentlichen parallel zu einer von der Drehachse des Umlenkmittels zum Empfänger weisenden Ebene ange­ brachte Sensor ist starr auf das Umlenkmittel gerichtet und bewirkt mittels einer Verstellvorrichtung eine solche Ausrich­ tung des Umlenkmittels, daß die Sonnenstrahlen eine Umlenkung in Richtung des Sensors und somit auf den Empfänger erfahren. Die zweite Schwenkachse verläuft in dieser Ausführung der Er­ findung vorteilhafterweise senkrecht zur ersten Schwenkachse und eine Ebene des Umlenkmittels in Richtung des Empfängers durchstoßend.

In vorteilhafter Ausführung besteht das Umlenkmittel aus einer hochreflektierenden, polierten Metallplatte oder einem Glas­ spiegel.

In weiterer Ausführung ist das Umlenkmittel der Solaranlage ein Hologramm.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Empfänger der Solaranlage eine Vorrichtung zum Einkoppeln der auf ihn treffenden Lichtstrahlen in wenigstens einen Lichtleiter ent­ hält. Somit muß das Sonnenlicht am Ort des Empfängers nicht verlustbehaftet in Energie umgewandelt werden, sondern kann mit Hilfe der Lichtwellenleiter an einem entsprechenden ent­ fernten Ort als Beleuchtungsquelle verwendet oder in andere Energieformen umgewandelt werden.

Die Erfindung ist anhand einiger Ausführungsbeispiele in der Zeichnung veranschaulicht und wird im folgenden näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Solaranlage mit räumlich voneinander getrennt angeordneten Umlenkmittel und Empfänger,

Fig. 2 eine Solaranlage mit mehreren, miteinander ge­ koppelten Umlenkmitteln,

Fig. 3 eine auf dem Prinzip eines Pantographen basierende Verstellvorrichtung einer erfindungsgemäßen Solar­ anlage der Fig. 1,

Fig. 4 eine Solaranlage mit seitlich am Empfänger ange­ brachten Umlenkmittel,

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Solaranlage wie in Fig. 1, jedoch mit auf das Umlenkmittel gerichtetem Sonnen­ sensor, und

Fig. 6 einen hydraulischen Schwenktrieb zur Nachführung des Umlenkmittels.

Die Fig. 1 zeigt eine Solaranlage, bestehend aus einem auf ei­ ner Stützvorrichtung (19) um eine Achse (3) drehbar gelagerten Spiegel (1) als Umlenkmittel und einem auf einem Gestell (20) montierten Strahlungsempfänger (2). Der Spiegel (1) ist so po­ sitioniert, daß einfallende Sonnenstrahlung (10) vom Spiegel (1) auf den Empfänger (2) reflektiert werden kann. Mit Hilfe einer Verstellvorrichtung (4), die einen thermohydraulischen Antrieb (6) und eine Übertragungseinrichtung (5) umfaßt, kann der Spiegel (1) der Sonnenbewegung nachgeführt werden, so daß ohne zusätzliche Maßnahmen Sonnenstrahlung (10) unabhängig vom jeweiligen Stand der Sonne vom Spiegel (1) immer parallel zu der die Schwenkachse (3) mit dem Empfänger (2) verbindenden Achse (13) auf den Empfänger (2) reflektiert wird.

Der thermohydraulische Antrieb (6) ist mittels der Übertra­ gungseinrichtung (5) direkt auf der der Sonne zugewandten Seite des Spiegels (1) an dessen Schwenkachse (3) angebracht. Der An­ trieb (6) besteht im wesentlichen aus zwei Absorberrohren (61), die parallel zueinander und zur Schwenkachse (3) vor dem Spie­ gel (1) verlaufen. Die Absorberrohre (61) sind jeweils mit ei­ nem Antriebsmedium, insbesondere Propangas, befüllt und zudem mit zwischen den Rohren (61) liegenden Abschatt- und Reflek­ tionsmitteln (62) (vgl. Fig. 3) versehen. Ein weiteres, zwi­ schen dem Spiegel (1) und den Absorberrohren (61) angebrachtes Abschattmittel (64) verhindert das Auftreffen von reflektierten Strahlen auf die Absorberrohre (61). Die Mittelsenkrechte der die beiden Absorberrohrmittelachsen verbindenden Ebene dient als Sonnenzeiger (63). Weist der Sonnenzeiger (63) nicht exakt zur Sonne, so bewirken die Abschatt- und Reflexionsmittel (62) eine asymmetrische Sonnenbestrahlung der Absorberrohre (61). Die daraus resultierende unterschiedliche Erwärmung der An­ triebsmedien in den Absorberrohren (61) hat einen Druckunter­ schied zur Folge, der über aus Gründen der Darstellungsverein­ fachung nicht gezeigte hydraulische Leitungen auf einen ge­ eigneten Verstellmechanismus, z. B. einen Linearantrieb oder ei­ nen Schwenktrieb (vgl. Fig. 6) gegeben wird. Ein thermohydrau­ lisches Nachführsystem dieser Art wird vom Anmelder in der Pa­ tentanmeldung mit dem Aktenzeichen P 42 08 255.2-13 ausführlich beschrieben. Der Schwenktrieb ist vorteilhafterweise an der Schwenkachse (3) des Spiegels (1) angebracht und bewirkt eine Drehung des Spiegels (1) in Richtung der Sonnenbewegung.

Über ein Riemengetriebe (5) als mechanische Übertragungsein­ richtung wird die Schwenkbewegung des hydraulischen Schwenkan­ triebs in geeignetem Übersetzungsverhältnis auch auf den passi­ ven thermohydraulischen Antrieb (6) übertragen,der sich um eine zwischen den Absorberrohren (61) liegende Schwenkachse (65) dreht, bis der Sonnenzeiger (63) wieder auf die Sonne gerichtet ist. Dann erfahren die Absorberrohre (61) wieder eine symmetri­ sche Bestrahlung durch die Sonnenstrahlen (10), wodurch der Druckunterschied der Antriebsmedien in den und bei den Absor­ berrohren (61) wieder abgebaut wird und der über hydraulische Leitungen an die Absorberrohre (61) angeschlossene Schwenktrieb seine Drehung des Spiegels (1) einstellt. Das Riemengetriebe (5) besteht aus zwei Riemenscheiben (52, 53) und einem um die Scheiben gelegten, die Drehbewegung übertragenden Riemen (51). Die erste Riemenscheibe (52) ist mit der Schwenkachse (65) des thermohydraulischen Antriebs (4) verbunden, die zweite Riemen­ scheibe (53) ist mit der Schwenkachse (3) des Spiegels (1) ver­ bunden, wobei die ortsfeste Schwenkachse (65) des thermohydrau­ lischen Antriebs parallel zur Schwenkachse (3) und senkrecht zur die Schwenkachse (3) mit dem Empfänger (2) verbindenden Verbindungsachse (13) verläuft.

Der Empfänger (2) wird genau dann ständig vom Spiegel (1) mit Licht versorgt, wenn unabhängig vom jeweiligen Stand der Sonne auf den Spiegel (1) auftreffende Sonnenstrahlen (10) parallel zur Verbindungsachse (13) reflektiert werden, d. h. der Winkel (α) zwischen einfallenden und reflektierten Strahlen doppelt so groß ist wie der Winkel (β) zwischen der Spiegelnormalen (18) und der Verbindungsachse (13). Die Spiegelnormale (18) muß also zu jedem Augenblick des Betriebszustandes der Anlage die Winkelhalbierende zwischen einfallender Sonnenstrahlung (10) und der Verbindungsachse (13) zwischen Spiegelschwenkachse (3) und Strahlungsempfänger (2) darstellen. Dies wird gewährleistet, indem die zweite Riemenscheibe (53) der Verstellvorrichtung (5) einen doppelt so großen Halbmesser wie die erste, am thermohy­ draulischen Antrieb (6) angebrachte Riemenscheibe (52) hat.

Natürlich besteht auch die Möglichkeit, den Schwenktrieb direkt mit dem thermohydraulischen Antrieb (6) zu verbinden. Ein Druck­ unterschied der Antriebsmedien der beiden Absorberrohre (61) bewirkt dann direkt eine Drehung der Absorberrohre (61) um die zwischen ihnen liegende Achse (65). Gleichzeitig wird über das Riemengetriebe (5) mit den Riemenscheiben (52, 53) und dem Rie­ men (51) die Drehbewegung des Schwenktriebs auf die Schwenk­ achse (3) des Spiegels (1) übertragen. Die Funktionsweise der Verstellvorrichtung bleibt somit unabhängig davon, ob der Schwenktrieb auf die Spiegelschwenkachse (3) oder die Schwenk­ achse (65) des thermohydraulischen Antriebs (6) einwirkt, die gleiche. Aus Gründen der Gewichtsverteilung ist jedoch eine Anordnung des Schwenktriebs an der Spiegeldrehachse (3) zu be­ vorzugen.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist der Spiegel (1) nur mit einer Schwenkachse und zugeordnetem thermohydraulischen Antrieb dargestellt. Soll die Anlage als Heliostat betrieben werden, so muß der Spiegel (1) mit einer weiteren, lotrecht zur ersten Schwenkachse (3) verlaufenden Schwenkachse und entsprechend zu­ geordnetem thermohydraulischem Antrieb und bewegungsübertragen­ der Verstellvorrichtung versehen werden. Eine solche Heliosta­ tenanlage reflektiert unabhängig vom jeweiligen tageszeitlichen und jahreszeitlichen Stand der Sonne Licht in Richtung eines zugeordneten Empfängers unter bloßer Ausnutzung der thermischen Sonnenenergie, ohne daß weitere manuelle Einstellmaßnahmen er­ forderlich wären.

Für die zweite Schwenkachse des Spiegels (1) gibt es zwei Mög­ lichkeiten der Anordnung. Zum einen kann die zweite Schwenkach­ se in der Spiegelebene liegend lotrecht zur ersten Schwenkachse (3) verlaufen. In diesem Fall wird wieder eine mit einem Über­ tragungsverhältnis von 1 : 2 nach führende Verstellvorrichtung für die zweite Schwenkachse benötigt. Die Nachführung des Spie­ gels (1) erfolgt somit zum einen um die erste Schwenkachse (3) bezüglich der Elevation, und zum anderen um die zweite Schwenk­ achse bezüglich der Azimutstellung der Sonne. In beiden Rich­ tungen wird die Spiegelnormale (18) jeweils auf die Winkelhal­ bierende zwischen einfallender Sonnenstrahlung und der Verbin­ dungsachse zwischen den Spiegelschwenkachsen und dem Strah­ lungsempfänger eingestellt.

Zum anderen kann die zweite Schwenkachse (30) des Spiegels (1) so gewählt werden, daß sie lotrecht zur ersten Schwenkachse (3) entlang der Verbindungsachse (13) durch die Fläche des Spiegels (1) verläuft. Eine (nicht dargestellte) Verstellvorrichtung richtet den Spiegel (1) um die zweite Schwenkachse (30) mit ei­ nem Übertragungsverhältnis von 1 : 1 so aus, daß eine senkrecht zur ersten Schwenkachse (3) durch den Durchstoßpunkt der zwei­ ten Schwenkachse (30) in der Spiegelfläche verlaufende Achse in der durch den Durchstoßpunkt der zweiten Schwenkachse (30), den Empfänger (2) und die Sonne aufgespannten Ebene zu liegen kommt. Diese Einstellung erfolgt durch die Drehung eines den Spiegel (1) und die den beiden Schwenkachsen zugeordneten Verstellein­ richtungen halterndes, um die Schwenkachse (30) drehbar gela­ gertes Halterungselement (12) der Stützvorrichtung (19).

Die Fig. 3 zeigt eine weitere Übertragungseinrichtung für den Sonnenspiegel (1) der Fig. 1. Die Übertragungseinrichtung (7) ist ein Stangengetriebe und basiert auf dem Prinzip eines Pan­ tographen.

Die Übertragungseinrichtung (7) besteht im wesentlichen aus fünf Stangen (71 bis 75). Die ortsfeste Stange (73) ist an der Schwenkachse (3) des Spiegels (1) angelenkt und weist entlang der Verbindungsachse (13) zum (nicht dargestellten) Empfänger (2). Eine zweite Stange (72) ist an der Schwenkachse (3) fest mit dem Spiegel (1) verbunden und steht lotrecht zu diesem. Eine dritte Stange (71) ist unabhängig von der Drehbewegung des Spiegels (1) ebenfalls an der Schwenkachse (3) angelenkt. An ihrem der Schwenkachse (3) entgegengesetzten Ende ist ein ther­ mohydraulischer Antrieb (6) angebracht. Das Ende der Stange (71) dient als Sonnenzeiger (63). Die Stange (71) ist an einem Punkt (A) über eine kürzere Stange (74) mit einem entlang der senkrecht auf dem Spiegel (1) stehenden Stange (72) laufenden Gleitschuh (76) verbunden. Entsprechend ist die Stange (73) an einem Punkt (B) über eine kurze Stange (75) ebenfalls mit dem Gleitschuh (76) verbunden. Die beiden kurzen Stangen (74, 75) verfügen über die gleiche Länge, und ihre beiden Anlenkpunkte (A, B) an den Stangen (71 bzw. 73) sind jeweils gleich weit von der Schwenkachse (3) entfernt.

Entsprechend der vor stehend geschilderten Funktionsweise des thermohydraulischen Antriebs (6) wird ein aufgrund asymmetri­ scher Bestrahlung der Absorberrohre (61) wegen einer Fehlaus­ richtung des Sonnenzeigers (63) entstandener Druckunterschied der Antriebsmedien über hydraulische Leitungen auf einen (nicht dargestellten) Schwenktrieb gegeben, welcher die Stange (71) im Sinne des eingezeichneten Pfeils (P1) um die Schwenkachse (3) schwenkt. Aufgrund der pantographenartigen Kopplung wird die Stange (72), und mit ihr der fest mit ihr verbundene Spiegel (1) durch die Hebelwirkung der mit der Stange (71) verbundenen kurzen Stange (74) sowie der an der ortsfesten Stange (73) ab­ gestützten Stange (75) im Sinne des Pfeils (P2) ebenfalls um die Schwenkachse (3) geschwenkt. Die beschriebene Kopplung ge­ währleistet, daß die Spiegelnormale (72) stets die Winkelhal­ bierende zwischen den beiden Stangen (71, 73) darstellt, so daß auch hier die Bedingung α=2β erfüllt ist und somit parallel zum Sonnenzeiger (63) einfallende Sonnenstrahlen (10) in Rich­ tung (13) des Empfängers (2) reflektiert werden können.

Ebenso wie die Übertragungseinrichtung der Fig. 1 muß auch die Übertragungseinrichtung der Fig. 3 nur ein einziges Mal zu Be­ triebsbeginn der Solaranlage winkelgerecht justiert werden. Dies erfolgt vorteilhafterweise, indem dem Spiegel (1) senkrecht zu dem auf die Spiegelnormale geschwenkten Sonnenzeiger (63) aus­ gerichtet wird. Sämtliche Stellungen des Spiegels sind dann über die eindeutige Winkelbeziehung (α=2β) festgesetzt.

Fig. 2 zeigt eine Solaranlage mit mehreren, miteinander gekop­ pelten Umlenkmitteln (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f) in schematischer Sei­ tenansicht mit parallel zueinander verlaufenden Schwenkachsen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f). Eines der Umlenkmittel, z. B. das oberste Umlenkmittel (1a) ist mit einem (nicht dargestellten) auf Ab­ weichungen des Sonneneinfallswinkels reagierenden Sensor mit einem Sonnenzeiger (8a) und einer (ebenfalls nicht dargestell­ ten) geeigneten Übertragungseinrichtung zum Einstellen des Um­ lenkmittels (1a) um dessen Schwenkachse (3a) ausgestattet, so daß von der Sonne (11) ausgesandte Strahlen (10) in Richtung der Verbindungsachse (13a) zum Empfänger (2) reflektiert wer­ den. Die verbleibenden Umlenkmittel (1b bis 1f) verfügen über keine eigenen Sensoren, aber über Sonnenzeiger (8b bis 8f), die mittels (nicht dargestellter) Übertragungseinrichtungen auf das jeweilige Umlenkmittel (1b bis 1f) einwirken. Die Sonnenzeiger (8a bis 8f) sind sämtlich gleich lang und stehen parallel zu­ einander, wobei sie drehbar an eine Verbindungsstange (9) ange­ lenkt sind.

Bei der Errichtung der Solaranlage werden die einzelnen Umlenk­ mittel (1a bis 1f) so ausgerichtet, daß sie die Sonnenstrahlen (10) jeweils zum Empfänger (2) hin reflektieren und werden dann an die Verbindungsstange (9) über ihren jeweiligen Sonnenzeiger (8a bis 8f) angelenkt. Sonnenstandsveränderungen während des Betriebs der Anlage bewirken eine Nachführung des mit einer Verstellvorrichtung versehenen Umlenkmittels (1a). Diese Nach­ führbewegung wird über die Verbindungsstange (9) und die an diese angelenkten Sonnenzeiger (8b bis 8f) auf die (nicht dar­ gestellten) Übertragungseinrichtungen der weiteren Umlenkmittel (1b bis 1f) übertragen, so daß sämtliche Umlenkmittel (1a bis 1f) stets Sonnenstrahlung (10) parallel zu den Verbindungsebe­ nen (13a bis 13f) in Richtung des Empfängers (2) reflektieren.

Eine solche Solaranlage mit miteinander gekoppelten Umlenkmit­ teln findet z. B. Einsatz als linienfokussierende Konzentra­ toranordnung (Jalousienkonzentrator) für eine thermische Solar­ anlage oder für photovoltaische Konzentratorzellen. Eine Aus­ führung mit parallel reflektierenden, also nichtkonzentrieren­ den Reflexionslamellen kann z. B. als jalousienartige Anordnung vor Fenstern bzw. Fensterfronten (insbesondere großflächige Dachfenster von Großgebäuden) zur gleichmäßigen Ausleuchtung von den hinter den Fenstern befindlichen Räumen während eines Großteils des Tages verwendet werden . .

Die Fig. 4 zeigt eine Solaranlage mit direkt am Empfänger (2′) entlang einer Drehachse (3′) angelenktem Spiegel (1). Von der Darstellung des thermohydraulischen Antriebs und der die son­ nenfolgende Bewegung übertragenden Übertragungseinrichtung wur­ de abgesehen. Der Unterschied einer solchen Anordnung zu den vorstehend beschriebenen Solaranlagen besteht darin, daß auf­ grund eines nicht konstanten Bestrahlungswinkels der Empfänger­ fläche (2′) andere Winkelfunktionen und somit andere Unterset­ zungsverhältnisse für die Übertragungseinrichtung gelten. Dabei spielen die Abmessungen des Spiegels (1) und des Empfängers (2′) eine Rolle. Im Falle der Fig. 4 entspricht die Spiegelbrei­ te (b_U) der Breite (b_E) des Empfängers (2′). Um eine maximale Bestrahlung des Empfängers (2′) über dessen gesamte Breite (b_E) mit durch den Spiegel (1) reflektierte Sonnenstrahlen (10) zu erhalten, muß der Nebenwinkel (δ) zum Winkel zwischen dem Spie­ gel (1) und dem Empfänger (2′) zwei Drittel des Winkels (ε) be­ tragen, wobei den in Richtung des Nebenwinkels (δ) gelesenen Winkel zwischen der Sonneneinstrahlung (10, 10′) und der Ebene (22) des Empfängers (2′) bezeichnet.

Da die Winkelbeziehung δ=2/3ε unabhängig vom Sonnenstand ist, kann eine Nachführeinrichtung für die Solaranlage der Fig. 4 mit einer Verstellvorrichtung der vorstehend beschriebenen Art betrieben werden, wobei nur das Übertragungsverhältnis entspre­ chend gewählt werden muß. Für andere Breitenverhältnisse b_U : b_E kann das benötigte Übertragungsverhältnis durch Anwendung tri­ gonometrischer Winkelsätze abgeleitet werden.

Eine Solaranlage, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, findet z. B. Verwendung bei feststehenden Kollektorflächen, wie sie u. a. auf Hausdächern zu finden sind. Dabei kann die Spiegelschwenkachse (3′) sowohl in Nordsüd- als auch in Ostwestrichtung verlaufen. Eine weitere Einsatzmöglichkeit einer solchen Solaranlage be­ steht in der Tageslichtaufhellung von Gebäuden. Als Empfänger (2′) werden dann einzelne Fenster oder Fensterfronten verwendet. Zusätzlich zum ohnehin durch die Fenster einfallenden direkten Tageslicht (10′) wird durch seitlich an den Fenstern in Art von Fensterläden angelenkten Spiegeln (1) indirektes Tageslicht (10) auf die Fenster (2′) gelenkt.

Fig. 5 zeigt eine der in der Fig. 1 dargestellten Solaranlage entsprechende Solaranlage, bestehend aus einem auf einer Stütz­ vorrichtung (19) entlang einer Schwenkachse (3) drehbar gela­ gerten Spiegel (1) als Umlenkmittel und einem auf einem Gestell (20) montierten Strahlungsempfänger (2). Der Spiegel (1) ist abermals so montiert, daß einfallende Sonnenstrahlung (10) vom Spiegel (1) auf den Empfänger (2) reflektiert werden kann. Die Verstellvorrichtung besteht bei dieser Ausführung aus einem thermohydraulischen Antrieb mit zwei Absorberrohren und den Ab­ sorberrohren (61) zugeordneten Abschatt- und Reflexionsmitteln und einem auf die Schwenkachse (3) des Spiegels (1) einwirken­ den (nicht dargestellten) Verstellglied. Der thermohydraulische Antrieb (6) ist dabei so angeordnet, daß der die Mittelsenk­ rechte zwischen den beiden Absorberrohren (61) darstellende Sonnenzeiger (63) entlang der Verbindungsachse (13) zwischen der Spiegelschwenkachse (3) und dem Strahlungsempfänger (2) zu liegen kommt und auf den Spiegel (1) zeigt. Ein zusätzliches Abschattmittel (64) verhindert eine direkte Bestrahlung der Ab­ sorberrohre (61) durch die Sonnenstrahlung (10), so daß nur vom Spiegel (1) reflektierte Strahlen auf die Absorberrohre (61) treffen können. Die Absorberrohre (61) erfahren dabei nur dann eine symmetrische Bestrahlung, wenn die reflektierten Strahlen parallel zur Verbindungsachse (13) zum Empfänger (2) hin re­ flektiert werden. Von dieser Reflexionsstellung abweichende Stellungen des Spiegels (1) haben aufgrund der Abschatt- und Reflexionsmittel (62) zwischen den beiden Absorberrohren (61) eine asymmetrische Bestrahlung der Rohre zur Folge, welche ent­ sprechend den vorstehenden Ausführungen eine Druckdifferenz der in den Absorberrohren (61) befindlichen Antriebsmedien zur Fol­ ge hat. Diese Druckdifferenz wird über hydraulische Leitungen auf einen auf die Schwenkachse (3) des Spiegels (1) einwirken­ den Schwenktrieb (vgl. Fig. 6) gegeben, der die Stellung des Spiegels (1) um die Schwenkachse (3) so lange nachregelt, bis wieder eine symmetrische Bestrahlung der Absorberrohre (61) erfolgt.

Diese Ausführung gewährleistet ein Nachstellen des Spiegels (1) mit hoher Genauigkeit, da der Sensor bzw. der thermohydraulische Antrieb der Sonnenbewegung nicht nachgeführt werden muß,sondern nur eine Schwenkbewegung des Spiegels um seine Schwenkachsen (3, 30) erfolgt.

Fig. 6 zeigt in schematischem Längsschnitt einen Schwenktrieb (15), wie er in einer vorstehend beschriebenen erfindungsgemä­ ßen Solaranlage Verwendung findet. Der Schwenktrieb (15) be­ steht im wesentlichen aus einem zylindrischen Gehäuse (151), in dessen Innerem ein Zahnstangenkolben (152) verschiebbar ange­ bracht ist. Der Kolben (152) unterteilt den Innenraum des Ge­ häuses (151) dicht in zwei Kammern (151a, 151b), die über Öff­ nungen an den Stirnseiten mit Zuleitungen (14) von den Absor­ berrohren (61) des thermohydraulischen Antriebs (6) verbunden sind. Die Hohlräume (151a, 151b) sind, ebenso wie die Zuleitun­ gen (14) und die Absorberrohre (61), mit einem Medium befüllt. Als Medium wird Propangas verwendet, das eine günstigere Dampf­ druckcharakteristik und eine wesentlich bessere Umweltverträg­ lichkeit als Freon aufweist. Die Zähne (153) des Zahnstangen­ kolbens (152) kämmen mit den Zähnen (154) eines in einer halb­ kreisförmigen Ausbuchtung (155) des Gehäuses (151) unterge­ brachten Zahnrads (156). Erhöht sich z. B. der Dampfdruck des Mediums im rechten Hohlraum (151b), so erfährt der Kolben (152) eine resultierende Kraft nach links, wodurch das koaxial zur jeweiligen Schwenkachse (3, 30) eines Umlenkmittels (vgl. z. B. Fig. 1 und 5) und fest mit dieser verbunden angebrachte Zahnrad (156) in eine Drehbewegung im Sinne des Pfeiles (P3) versetzt wird und somit das Umlenkmittel (1) einer Sonnenbewegung nach­ führt.

Der gezeigte Schwenktrieb hat gegenüber einem üblicherweise verwendeten doppelt-wirkenden Zylinder den Vorteil, daß ein Schwenkbereich über Umfang des Ritzels (156) und Länge der Kol­ benstange (152) einstellbar ist und über einen maximal benötig­ ten Bereich von 240° ein konstantes Drehmoment aufweist. Die nicht näher bezeichneten Dichtungen des Schwenktriebs (15) sind vorteilhafterweise aus Teflon (PTFE). Dieses Dichtungsmaterial ist auch bei kühleren Temperaturen formbeständig und verliert nicht seine Elastizität, wodurch ein Einsatz der Anordnung in Gebieten größeren Breitengrades möglich ist.

Für eine erfindungsgemäße Solaranlage kommen neben planen Spie­ geln, wie sie in den Figuren dargestellt sind, auch Hologramme und andere, dem Fachmann bekannte Spiegelarten, wie z. B. Para­ bolspiegel, in Frage. Erfindungsgemäße Solaranlagen haben auf­ grund ihrer Ausführungsvielfalt einen dementsprechend breiten Einsatzbereich, der im Rahmen der vorliegenden Beschreibung nur anhand weniger Beispiele umrissen werden konnte.

Claims (19)

1. Solaranlage mit wenigstens einem um wenigstens eine Schwenkachse dem Sonnenstand nachführbaren Umlenkmittel zum Um­ lenken einfallender Sonnenstrahlung auf einen Empfänger und mit wenigstens einer Verstellvorrichtung für das wenigstens eine Umlenkmittel, dadurch gekennzeichnet, daß die das Nachführen des Umlenkmittels (1) bewirkende Verstellvorrichtung (4) einen von einem auf Abweichungen des Sonneneinfallswinkels reagieren­ den Sensor (61) gesteuerten passiven Antrieb (6) enthält, der mittels einer Übertragungseinrichtung (5, 7) in einem vorbe­ stimmten Übertragungsverhältnis mit dem Umlenkmittel (1) gekop­ pelt ist.

2. Solaranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der passive Antrieb (6) der Verstellvorrichtung (4) ein thermohydraulischer Antrieb (6) ist.

3. Solaranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der thermohydraulische Antrieb (6) der Verstellvorrichtung (4) zwei zu einer gemeinsamen Schwenkachse (65) parallele, mit einem sich temperaturabhängig ausdehnenden Antriebsmedium be­ füllte und an ein gemeinsames Verstellglied der Verstellvor­ richtung (4) angeschlossene Absorberrohre (61) aufweist, denen Abschatt- und/oder Reflexionsmittel (62) zur unterschiedlichen Bestrahlung der Absorberrohre (61) bei einer Abweichung des Sonneneinfallswinkels zugeordnet sind.

4. Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der thermohydraulische Antrieb (6) mittels einer Übertragungseinrichtung (5, 7) an einer Schwenkachse (3, 3′) angreift, auf der das Umlenkmittel (1) drehfest angeordnet ist.

5. Solaranlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Umlenkmittel (1) getrennt vom Empfänger (2) angeordnet ist.

6. Solaranlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung (5, 7) ein Übertragungsverhält­ nis von 1 : 2 aufweist.

7. Solaranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Umlenkmitteln (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f), mit parallel zueinander liegenden Schwenkachsen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f) zur Sonnenbewegungsnachführung an die Verstellvorrichtung eines einzelnen Umlenkmittels (1a) angekoppelt ist.

8. Solaranlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Umlenkmittel (1) um zwei Schwenkachsen durch jeweils eine Verstellvorrichtung mit einem Übertragungs­ verhältnis von 1 : 2 der Sonnenbewegung nachführbar ist.

9. Solaranlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Umlenkmittel (1) um eine erste, in ei­ ner Ebene des Umlenkmittels (1) liegende Schwenkachse (3) durch eine erste Verstellvorrichtung (4) mit einem Übertragungsver­ hältnis von 1 : 2 der Sonnenbewegung nachführbar ist und um ei­ ne senkrecht zur ersten Schwenkachse (3) verlaufende,eine Ebene des Umlenkmittels (1) in Richtung des Empfängers (2) durchstoßende zweite Schwenkachse (30) durch eine zweite Verstellvor­ richtung mit einem Übertragungsverhältnis von 1 : 1 der Sonnen­ bewegung nachführbar ist.

10. Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkmittel (1) unmittelbar neben dem Empfänger (2′) angebracht ist und um eine in der Ebene (22) des Empfängers (2′) liegende Achse (3′) drehbar ist.

11. Solaranlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung der Verstellvorrichtung derart ausgelegt ist, daß bei gleicher Breite (b_E, b_U) des Empfängers (2′) und des Umlenkmittels (1) die Beziehung δ=2/3ε erhalten bleibt, wobei δ der Nebenwinkel zum Winkel zwischen dem Umlenk­ mittel (1) und dem Empfänger (2′) bedeutet, und ε der in Rich­ tung des Nebenwinkels (δ) gelesenen Winkels zwischen der Son­ neneinstrahlung (10, 10′) und der Empfängerebene (22) ist.

12. Solaranlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die mit einem Übertragungsverhältnis arbeitende Übertragungseinrichtung der Verstellvorrichtung eine mechanische Übertragungseinrichtung (5, 7) ist.

13. Solaranlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Übertragungseinrichtung ein Zahnrad- oder ein Riemengetriebe (5) ist.

14. Solaranlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Übertragungseinrichtung ein Gelenkviereck (Pantograph) (7) ist.

15. Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Umlenkmittel (1) um eine erste, in einer Ebene des Umlenkmittels (1) liegende Schwenkachse (3) der Sonnenbewegung unter Einhaltung der Re­ flexionsbedingung zum Umlenken der Lichtstrahlung (10) auf den Empfänger (2) nachführbar ist, wobei der auf Abweichungen des Sonneneinfallswinkels reagierende Sensor (61) des Antriebs (6) auf das Umlenkmittel (1) gerichtet ist.

16. Solaranlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkmittel (1) um eine senkrecht zur ersten Schwenk­ achse (3) verlaufende, eine Ebene des Umlenkmittels (1) in Richtung des Empfängers (2) durchstoßende zweite Drehachse (30) durch eine zweite Verstellvorrichtung der Sonnenbewegung nach­ führbar ist.

17. Solaranlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Umlenkmittel (1) ein Glasspiegel, eine hochreflektierende polierte Metallplatte oder ein Prisma ist.

18. Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkmittel ein Hologramm ist.

19. Solaranlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Empfänger (2) eine Vorrichtung zum Einkoppeln der auf ihn treffenden Lichtstrahlen in wenig­ stens einen Lichtleiter enthält.