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Gegenstand der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Konzentrations-Sonnenkollektor.
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Stand der Technik
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Das
allgemeine Prinzip der Arbeitsweise eines Sonnen- oder Solarkollektors
besteht darin, die Sonnenstrahlung aufzunehmen und diese in Wärme oder
in Elektrizität
umzuwandeln.
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Prinzipiell
bestehen zwei Typen von Kollektoren, jene die "eben" sind
und jene "mit Konzentration". Die ebenen Kollektoren
wandeln die Sonnenstrahlung auf der gesamten Fläche des Kollektors in Wärme um,
ohne dieselbe zu konzentrieren, während die Konzentrationskollektoren
die Sonnenstrahlung in dem Bereich des Brennpunktes konzentrieren,
und zwar mit Hilfe eines Reflektors oder mit Hilfe von optischen
Einrichtungen, welche entsprechend dem Effekt eines Vergrößerungsglases
wirken.
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Bei
denjenigen eine Konzentration mit einbindenden Solarkollektoren
unterscheidet man auf der einen Seite die Kollektoren, die einen
Reflektor in der Form einer Umdrehungsparabel zum Einsatz bringen.
Diese Kollektoren konzentrieren die Sonnenstrahlen im Bereich des
Brennpunktes der Parabel auf einem Stirlingmotor, ein Motor, in
welchem die Wärme
in Bewegung umgewandelt wird, Bewegung, die ihrerseits mit Hilfe
eines Alternators in elektrische Energie umgewandelt wird.
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Auf
der anderen Seite unterscheidet man zwischen den Kollektoren, welche
einen zylindrisch parabolischen Reflektor benützen und welche die Sonnenstrahlen
auf einem Umwandler konzentrieren, welcher es ermöglicht,
die Sonnenstrahlen in Wärme
umzuwandeln. Der Umwandler umfasst üblicherweise ein Rohr, in welchem
ein Wärme
transportierendes Fluid sich im Umlauf befindet. Dieses Fluid wird
es nun ermöglichen
die aufgenommene Wärme in
einem Speicherbehälter
zu speichern oder dieselbe über
einen Wärmetauscher
wiederzugeben.
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Der
Umwandler ist es sich schuldig, nicht nur eine hohe Absorption über das
gesamte Spektrum der Sonnenstrahlung zu besitzen, sondern ebenfalls ein
reduziertes Emissionsverhalten, das heißt, eine reduzierte Wiederabgabe
der Wärme.
Darüber
hinaus ist in den Konzentrations-Solarkollektoren die Oberfläche bei
dem Umwandler geringer als diejenige der Öffnung bei dem Kollektor.
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Solche
Konzentrations-Solarkollektoren sind seht gut bekannt. Die verwendeten
Umwandler besitzen entweder einen rechteckigen Querschnitt oder aber
einen runden Querschnitt auf, während
die Reflektoren selbst halbzylinderförmig oder cyclo-parabolisch
sein können.
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Die
Dokumente
EP 0 033 054 ,
US 3 321 012 und
US 4 024 852 beschreiben
Solarkollektoren, deren Umwandler einen rechteckigen Querschnitt
aufweisen. So wie in dem Dokument
EP
0 033 054 beschrieben, kann der Reflektor die Form einer
kontinuierlichen Kurve aufweisen, welche sich zusammensetzt aus
wenigstens 5 Kreisbögen,
die sich tangential aneinander reihen, aber derselbe kann ebenfalls eine
halbzylindrische Form aufweisen, so wie in dem Dokument
US 3 321 012 beschrieben,
oder derselbe kann noch eine cyclo-parabolische Form aufweisen, so wie
in dem Dokument
US 4 024 852 beschrieben.
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Die
Dokumente
US 4 059 094 ,
AT 402 114 und
AT 344 375 beschreiben Solarkollektoren,
deren Umwandler einen kreisförmigen
Querschnitt aufweisen. So wie dies in den Dokumenten
AT 402 114 und
AT 344 375 beschrieben worden ist,
kann der Reflektor eine halbzylindrische Form besitzen, oder eine
cyclo-parabolische
Form aufweisen, so wie im Dokument
US
4 059 094 beschrieben.
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Verschiedene
Lösungen
sind vorgeschlagen worden, um den Wirkungsgrad der mit Konzentration arbeitenden
Solarkollektoren zu verbessern. Verschiedene dieser Lösungen basieren
auf der Verwendung von unterschiedlichen Materialien für die Herstellung
der wesentlichen Elemente eines Kollektors, und zwar um den Wirkungsgrad
der Überführung der
Solarenergie in Wärme
herauf zu setzen.
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Weitere
Lösungen,
so wie dies in den Dokumenten
AT
344 375 und
AT 402 114 beschrieben wird,
schlagen eine Maximierung der Menge der Sonnenstrahlung vor, die
von dem Kollektor aufgenommen wird, indem ein "Absorber" zum Einsatz gebracht wird, eine Zusatzeinrichtung,
die einen integrierenden Bestandteil des Umwandlers darstellt. Dieser
Absorber fängt
einen Teil der indirekten Sonnenstrahlung auf und überträgt die zusätzliche,
auf diese Weise aufgenommene Wärme
an das die Wärme
transportierende Fluid.
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Jedoch
beschaffen all diese Lösungen
einen immer noch wesentlich zu niedrigen energetischen Wirkungsgrad
und sie weisen den Nachteil auf, dass sie die erzeugten Verluste
an Energie, die durch ein Phänomen
von Wiederabgabe der Wärme
bewirkt werden, nicht verringern, dies insbesondere auf dem Niveau
des Umwandlers.
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Ziele der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist darauf ausgerichtet einen Konzentrations-Solarkollektor zu
besorgen, welcher die dem Stand der Technik anhängenden Nachteile nicht aufweist.
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Die
Erfindung peilt insbesondere einen Konzentrations-Solarkollektor
an, der einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist. Sie ist außerdem darauf
ausgerichtet einen Sonnenkollektor zu liefern, welcher unter der
Form von Solarzellenpaneelen verwendet werden kann und welcher des
Weiteren verwendet werden kann zur Herstellung von Elektrizität, zum Heizen,
Klimatisieren oder Entsalzen von Wasser.
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Die
Ausdrücke "Kollektor", "Zelle", "Sammler" werden ohne einen
Unterschied auszumachen in der nachfolgenden Darlegung der Erfindung
verwendet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt einen Konzentrations-Solarkollektor,
welcher umfasst eine für
Sonnenstrahlen durchlässige
Abdeckung, einen Reflektor mit einem zylindrisch parabolischen Querschnitt,
ein Wärme
transportierendes Element, einen Transformator, welcher es gestattet,
die durch Strahlung verursachten zu verringern, wobei der besagte Transformator
nicht mit dem besagten Wärme
transportierendem Element in Berührung
steht.
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Gemäß besonderen
Ausführungsformen weist
die Erfindung eines oder mehrere der nachfolgenden Merkmale auf:
- – Das
die Wärme
transportierende Element ist innerhalb eines unter Vakuum stehenden
Rohres angeordnet.
- – Der
Transformator ist an der Abdeckung und/oder an dem Reflektor und/oder
an dem unter Vakuum stehenden Rohr befestigt.
- – Der
Transformator besteht aus einem Blatt, welches sich in der Symmetrieebene
des Querschnittes des Reflektors befindet.
- – Der
Transformator besteht aus einer Klinge aus Kohlenstoff oder aus
Silizium oder aus einer Klinge aus Metall.
- – Der
Transformator weist Lamellen auf.
- – Der
Transformator ist überzogen
mit einer Substanz, die ein starkes thermisches Emissionsvermögen aufweist.
- – Der Überzug bzw.
die Abdeckung des Kollektors ist hergestellt aus einem synthetischen
durchsichtigen Material oder aus Sonnenglas.
- – Das
Volumen besteht aus einem mit einem Gas oder mit einer Flüssigkeit
gefüllten
Volumen.
- – Darüber hinaus
weist der Kollektor eine Öffnung auf,
durch welche ein Einfüllen
oder ein Ablassen des Gases oder der Flüssigkeit vorgenommen werden
kann.
- – Das
die Wärme
transportierende Element weist einen rechteckigen Querschnitt, einen
kreisrunden Querschnitt oder einen ovalen Querschnitt oder eine
viereckige Form auf.
- – Das
die Wärme
transportierende Element besteht aus einem Metallrohr oder aus einem
Kunststoffrohr.
- – Die
Oberfläche
des die Wärme
transportierenden Elementes ist teilweise oder ganz mit einer Substanz überzogen,
die eine hohe Absorption des Sonnenspektrums und ein geringes thermisches
Strahlungsvermögen
aufweist
- – Das
die Wärme
transportierende Element besitzt die Eigenschaften eines Wärmetransportrohres.
- – Das
die Wärme
transportierende Rohr befindet sich im Brennpunkt des Solarkollektors.
- – Das
die Wärme
transportierende Element enthält
eine Wärme
transportierende Flüssigkeit
oder ein Wärme
transportierendes Gas.
- – Der
Kollektor umfasst ferner einen thermischen Isolator.
- – Der
thermische Isolator wird ausgewählt
unter Polyurethanschaum, Polystyrolschaum, Steinwolle oder Glaswolle.
- – Der
Kollektor umfasst ferner eine Vorrichtung zur Verfolgung der Sonnenbahn.
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Die
vorliegende Erfindung enthüllt
des Weiteren die Verwendung des Solarkollektors unter der Form von
Solarzellenpaneelen.
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Die
vorliegende Erfindung enthüllt
ebenfalls die Verwendung des Solarkollektors zur Herstellung von
Elektrizität,
zum Heizen oder zum Klimatisieren oder zum Entsalzen von Wasser.
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Detaillierte Beschreibung
der Zeichnungen
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1 stellt
schematisch die Form einer besonderen Ausführung des Solarkollektors gemäß der Erfindung
dar.
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2 stellt
schematisch die Form einer besonderen Ausführung des Transformators dar.
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3 stellt
schematisch eine Vielzahl von Solarkollektoren gemäß der Erfindung
dar, welche ein Solarpaneel bilden.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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In
dem Konzentrations-Solarkollektor gemäß der Er Windung wird die Sonnenstrahlung
unter Zuhilfenahme eines längs
laufenden Reflektors mit einem zylindrisch parabolischen Querschnitt 2 auf
ein die Wärme
transportierendes Element 3 konzentriert.
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Die
von dem Wärme
transportierenden Element 3 aufgenommene Sonnenstrahlung
wird absorbiert, jedoch wird ein Teil dieser absorbierten Energie in
das Volumen 7 abgegeben. Diese abgegebene Energie kann
die Abdeckung 1 durchdringen; sie ist dann endgültig verloren
oder sie kann von der Abdeckung 1 des Solarkollektors absorbiert
werden.
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Die
Originalität
der vorliegenden Erfindung beruht auf der Anwendung eines Transformators 5, welcher
es gestattet, einen Teil der Sonnenstrahlung, vorzugsweise die indirekte
Sonnenstrahlung, zu verwenden, um durch das Emissionsvermögen die
Energieverluste zu reduzieren und um die Menge an Strahlungsenergie
zu vermindern.
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Unter "Strahlungsenergie" wird jene Energie verstanden,
welche während
des natürlichen
Vorgangs, als thermisches Emissionsvermögen bezeichnet, ausgestrahlt
wird, ein Vorgang in dessen Verlauf jedes von der Sonnenstrahlung
getroffene Material während
seiner Abkühlung
eine infrarote Strahlung abgibt. Demgemäß beinhaltet die Strahlungsenergie
diejenige Energie, die durch denjenigen Elemente wieder abgegeben
wird, welche den Solarkollektor bilden, insbesondere durch das die
Wärme transportierende
Element.
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Der
Solarkollektor gemäß der Erfindung
umfasst eine Abdeckung 1, einen Reflektor mit einem zylindrisch
parabolischen Querschnitt 2, ein Wärme transportierendes Element 3 sowie
einen Transformator 5.
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Gemäß einer
besonderen Form zur Ausführung
dieser Erfindung ist die Gesamtheit des Reflektors 2 und
des die Wärme
transportierenden Elementes 3 in einer Schicht aus einem
thermischen Isolator 6, eingelagert oder eingeschlossen,
welch letzterer auf einem Gestell, oder Rahmen, 8 aufliegt,
auf welchem die Abdeckung 1 ruht (1). Der
besagte Rahmen 8 besitzt vorzugsweise die Form eines Vierecks
oder eines Rechtecks.
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Vorzugsweise
wird die Abdeckung 1 aus einem für die Sonnenstrahlen durchlässigen Material hergestellt,
welches einen niedrigen Grad an Reflexion und einen hohen Grad an
Durchlässigkeit
besitzt. Vorzugsweise besteht das Material aus einem transparenten
Kunststoffmaterial oder aus einem Sonnenglas.
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Unter "Sonnenglas" versteht man ein
Glas mit einem niedrigen Gehalt an Eisen und dessen Oberfläche auf
solche Art und Weise behandelt worden ist, dass die Effekte der
Reflexion verringert werden. Die Behandlung der Oberfläche kann
verwirklicht werden durch das Anbringen einer Schicht oder einer
Folie aus Teflon.
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Vorteilhafterweise
kann die inner Oberfläche der
Abdeckung 1 mit einer Substanz überzogen werden, welche die
infraroten Strahlen reflektiert.
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Der
Reflektor 2 besitzt einen zylindrisch parabolischen Querschnitt
und eine längliche
Form. Er gestattet es die Konzentration der Sonnenstrahlung auf
dem Wärme
transportierenden Element 3 zu erzielen, welches auf dem
Niveau des Brennpunktes der Parabel angeordnet ist.
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Der
Reflektor 2 besitzt eine in hohem Maße reflektierende Oberfläche. Vorzugsweise
weist er das Aussehen eines Spiegels auf. Zu diesem Zweck kann der
Reflektor 2 aus einem starren Material hergestellt werden,
zum Beispiel aus Glas, auf welches eine reflektierende Substanz
aufgebracht wird.
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Vorzugsweise
besteht der Reflektor 2 aus Aluminium.
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Vorzugsweise
besitzt das die Wärme
transportierende Element 3, in welchem ein Wärme transportierendes
Fluid fließt,
einem rechteckigen Querschnitt, einem kreisrunden Querschnitt, einem
ovalen Querschnitt oder eine viereckige Form. Dabei kann es sich
um ein Rohr aus Metall handeln oder um ein solches aus Kunststoff,
welcher die Betriebstemperaturen des Solarkollektors aushält. Vorzugsweise
besteht dieses die Wärme
transportierende Element aus Kupfer oder Aluminium.
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Vorzugsweise
wird die Oberfläche
des die Wärme
transportierenden Elementes 3 ganz oder teilweise mit einer
Schicht eines Materials überzogen,
welches eine hohe Absorption des Sonnenspektrums und eine niedrige
thermische Emission aufweist. Im Falle eines teilweisen Überzuges
des besagten die Wärme
transportierenden Elementes 3 jedoch muss die Substanz
mit hoher Absorption des Sonnenspektrums und mit niedriger thermischer Emission
die Oberfläche
des besagten Elementes 3 bedecken, welche zur Öffnung der
Parabel hin gedreht ist.
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Das
die Wärme
transportierende Element 3 enthält ein Wärme transportierendes Gas oder
eine ebensolche Flüssigkeit.
Das Wärme
transportierende Gas kann aus Luft bestehen. Die Wärme transportierende
Flüssigkeit
kann aus Wasser bestehen, mit oder ohne Zusatzstoff, auch kann für den Einsatz
bei Betriebstemperaturen von über
200°C die
besagte Flüssigkeit
aus einem stabilen Öl
bestehen, welches sich bei hohen Temperaturen nicht zersetzt.
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Vorzugsweise
besitzt das die Wärme
transportierende Element 3 die Eigenschaften einer sog. Wärmeleitung,
auch noch unter der Bezeichnung "heatpipe" bekannt.
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Eine
Wärmeleitung
besteht aus einem hohlen Rohr, das ein unter Vakuum stehendes und
die Wärme
transportierendes Fluid enthält,
welches in Abhängigkeit
seiner Kondensations-/Verdampfungs-Temperatur gewählt wird.
Das Wärme
transportierendes Rohr gestattet es, die Wärme zu vereinheitlichen und
so schnell wie möglich
fortzubewegen dank eines Phänomens
der Phasenänderung.
Die durch den Reflektor im Innersten des Umwandlers konzentrierte
Sonnenenergie wird die Verdampfung des die Wärme transportierenden Fluids
ermöglichen.
Diese Energie wird anschließend
wieder auf dem Niveau der kälteren
Zone abgegeben, zum Beispiel in einem Wärmetauscher, durch die Kondensation
des die Wärme
transportierenden Fluids.
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Vorzugsweise
ist das die Wärme
transportierende Element 3 innerhalb eines unter Vakuum
stehenden Rohres 4 untergebracht. Besagtes Rohr 4 gestattet
es, die Energieverluste des die Wärme transportierenden Elementes 3 zu
verringern.
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Vorteilhafterweise
wird das unter Vakuum stehende Rohr 4 aus einem durchsichtigen
Material hergestellt, wobei es sich vorzugsweise um Sonnenglas oder
Borsilikatglas handelt. Das besagte Rohr 4 kann mit einer
Schicht aus einer Substanz überzogen werden,
welche Antireflexionseigenschaften besitzt.
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Die
thermische Isolation des Solarkollektors gemäß der Erfindung wird gewährleistet
einerseits durch das Vorhandensein der Abdeckung 1 und
andererseits durch einen thermischen Isolator 6.
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Vorzugsweise
besteht der Isolator 6 aus Polyurethan- oder Polystyrolschaum,
aus Steinwolle oder aus Glaswolle.
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Der
Transformator 5 gestattet es, die Wärmeverluste infolge des Emissionsvermögens des
die Wärme
transportierenden Elementes 3 zu verringern und er beteiligt
sich auf diese Weise an der Isolation des Solarkollektors dadurch
er eine thermische Sperre gegen die infraroten Wiederabgaben des
die Wärme
transportierenden Elementes 3 schafft. Durch das Auffangen
eines Teiles der Sonnenstrahlung erwärmt sich der Transformator 5 und
er gibt Strahlungsenergie wieder ab, welche auf das Volumen 7 übertragen wird.
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Der
Transformator 5 steht nicht mit dem die Wärme transportierenden
Element 3 in Kontakt, weder auf direkte Weise, noch auf
indirekte Weise. Es besteht kein Kontakt Feststoff/Feststoff zwischen dem
Transformator 5 und dem die Wärme transportierenden Element 3.
Bei derjenigen Ausführungsform,
bei welcher das die Wärme
transportierende Element 3 innerhalb des unter Vakuum stehenden Rohres 4 untergebracht
ist, kann der Transformator 5 mit dem besagten Rohr 4 in
Kontakt stehen, unter der Bedingung, dass er nicht mit dem die Wärme transportierenden
Element 3 in Berührung
steht.
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Der
Transformator wird befestigt an der Abdeckung 1 und/oder
an dem Reflektor 2 und/oder an dem unter Vakuum stehenden
Rohr 4. Der Transformator befindet sich in der Symmetrieebene
des Querschnitts des Reflektors, und dies über die gesamte Länge des
Solarkollektors. Genauer gesagt, falls das die Wärme transportierende Element 3,
welches sich in dem Brennpunkt des zylindrisch parabolischen Reflektors 2 befindet,
an dem unteren Teil der Parabel angeordnet ist, so wie in der 1 dargestellt,
dann befindet sich der besagte Transformator 5 unter der
Platte der Abdeckung 1, während, in dem Fall wo das die
Wärme transportierende
Element 3 unterhalb der Abdeckung 1 angeordnet
ist, der besagte Transformator 5 zwischen dem die Wärme transportierenden
Element 3 und dem unteren Teil der Parabel angeordnet sein
wird. Für
sämtliche
Zwischenstellungen, das heißt,
für sämtliche
Stellungen, welche das die Wärme
transportierende Element 3 längs der Symmetrieebene des
Reflektors 2 einnehmen kann, kann der Transformator 5 die
Gestalt von zwei verschiedenen Elementen annehmen, welche beiderseits
des die Wärme
transportierenden Elementes 3 angeordnet sind, das eine
zur Abdeckung hin, das andere zum unteren Teil der Parabel hin.
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Der
Transformator 5 ist ein guter Wärmeleiter, vorzugsweise handelt
es sich um eine Klinge aus Kohlenstoff oder aus Silizium, oder es
handelt sich um eine Klinge oder um eine Platte aus Metall oder aus
einer Metalllegierung. Das Metall kann zum Beispiel Kupfer, Aluminium,
Silber, Gold, Wolfram, Messing, Zinn oder Legierungen von einem
oder von mehreren der oben angeführten
Metalle sein.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird der Transformator 5 aus einem beliebigen
Material hergestellt, welches mit einer Substanz mit einem starken
thermischen Emissionsvermögen überzogen
ist. Diese Substanz kann ebenfalls eine starke Absorption für das Sonnenspektrum
und eine starke thermische Emission aufweisen. Dies kann gleich
welche Substanz mit einem schwarzen Aussehen sein, vorzugsweise
mit einer metallischen Natur. Dies kann Kohlenstoff unter seinen
sämtlichen Formen
sein, Ruß oder
Grafit zum Beispiel, oder Silizium. Dies kann ein Metall sein, wie
zum Beispiel Kupfer, Aluminium, Silber, Gold, Wolfram, Messing, Zinn,
oder Legierungen von einem oder von mehreren der oben angeführten Metalle.
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Vorzugsweise
besitzt der Transformator 5 eine rechteckige Form.
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Vorteilhafterweise
kann der Transformator 5 des Weiteren Lamellen enthalten,
welche miteinander verbunden werden können. (2). Diese
besondere Ausführungsform
des Elementes 5 gestattet eine bessere Diffusion und Verteilung
der von dem Transformator 5 in das Volumen 7 hinein
emittierten Strahlung. Dies schwächt
die möglicherweise
in dem Volumen 7 vorhandenen Turbulenzen ab.
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Das
Volumen 7 entspricht dem zwischen dem Reflektor und der
Abdeckung befindlichen Raum. Bas Volumen 7 enthält ein Gas
oder ein Fluid, welche fähig
ist die infrarote Strahlung zu absorbieren.
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Vorzugsweise
ist das Gas, welches das Volumen füllt, Kohlendioxid oder mit
Kohlendioxid oder mit Wasserdampf angereicherte Luft. Es kann sich noch
um eines oder mehrere handeln von CFC, Methan oder Schwefelhexafluorid.
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Der
Druck des Gases in dem Volumen 7 kann kleiner, gleich oder
größer sein
als der atmosphärische
Druck. Zu diesem Zweck kann der Solarkollektor eine Öffnung aufweisen,
welche es gestattet das Fluids in dem Volumen 7 einzufüllen oder
zu entleeren.
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Vorzugsweise
wird das Gestell 8, auf welchem das Ganze aus der Abdeckung 1,
dem Reflektor 2, des die Wärme transportierenden Elementes 3 ruht,
aus Metall hergestellt, zum Beispiel aus Aluminium, oder aus Holz,
oder aus einem Verbundmaterial, oder des Weiteren aus einer Verbindung
von diesen Materialien.
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Der
Solarkollektor gemäß der Erfindung
enthält
vorteilhafterweise mindestens eine Einrichtung zum Verfolgen des
Sonnenstandes. Diese Einrichtung gestattet es der Bahn der Sonne
zu folgen und die Position des Solarkollektors in sämtliche
Richtungen anzupassen, um es auf diese Weise dem Solarkollektor
zu erlauben, eine optimale Ausrichtung zur Sonne zu erlangen, das
heißt,
um dem Solarkollektor die Einnahme einer idealen Stellung in Bezug
auf die Sonne zu gestatten und ein Maximum an Energie einzufangen.
Dies wird mit Hilfe von mechanischen oder hydraulischen Einrichtungen
bewerkstelligt.
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Vorzugsweise
wird der Solarkollektor gemäß der Erfindung
unter der Form von Solarpaneelen verwendet. (3).
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Vorzugsweise
wird der Solarkollektor gemäß der Erfindung
zur Herstellung von Elektrizität,
zum Heizen, zum Klimatisieren oder zum Entsalzen von Wasser verwendet.