DE2550194C2

DE2550194C2 - Vorrichtung zum Konzentrieren von Sonnenenergie

Info

Publication number: DE2550194C2
Application number: DE2550194A
Authority: DE
Inventors: Irwin Robert Lutherville Barr, Md.
Original assignee: AAI Corp
Current assignee: Textron Systems Corp
Priority date: 1974-11-20
Filing date: 1975-11-05
Publication date: 1985-03-28
Also published as: CA1035649A; JPS5174649A; IL48497A; CH599517A5; FR2292277A1; FR2292277B1; JPS5852562B2; DE2550194A1; IL48497A0; GB1506057A; US4004574A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Konzentrieren von Sonnenenergie mit einem über einen Reflektor bewegbar angeordneten Kollektor und mit einer Anordnung zum Feststellen der auf die Vorrichtung

einfallenden Sonnenenergie, welche mit einer Steuereinrichtung zusammenwirkt, die den Kollektor in eine Position für größtmögliche Energieaufnahme bringt

Es sind verschiedene Anordnungen für das Sammeln der Sonnenenergie bekannt. Bei vielen werden ein oder mehrere Parabolspiegel angewandt, wobei sich ein Kollektor in dem Brennpunkt befindet Diese Spiegel und Kollektoren bewegen sich üblicherweise als eine Einheit zwecks Ausrichten gegenüber der Sonne.

Bei verschiedenen anderen vorbekannten Anordnungen findet ein stationärer Spiegel oder mehrere Spiegel zusammen mit einem beweglichen Kollektor oder Kollektoren Anwendung. Hierzu gehört eine kugelförmige Spiegelbauart mit einem beweglichen, mittig im Abstandsverhältnis angeordneten Kollektor dergestalt, daß eine winkelförmige Bewegung um einen Drehpunkt in Abhängigkeit von der Lage der Sonne und der Jahreszeit erfolgt Bezüglich des kugelförmigen Spiegels findet eine verwickelte Krümmung Anwendung, die sich nur schwierig, kostspielig und bezüglich der Großproduktion unpraktisch herstellen läßt Gemäß einer zweiten, zum Stand der Technik gehörenden Anordnung, wie in der DE-PS 517 417 dargestellt, kommt ein länglicher, seitlich symmetrischer Parabolspiegel ie Anwendung, wobei dessen waagerechte Brennpunktslinie direkt senkrecht über dem Mittelpunkt zu end symmetrisch gegenüber dem länglichen Parabolreflektor vorliegt Um kleinere Veränderungen des Sonnenwinke.: weg von der Senkrechten zu berücksichtigen, wird der Kollektor sowohl

seitlich als auch senkrecht vermittels eines schwenkbaren Teleskoparms und Nockenführungsanordnung bewegt. Die Kompaßorientierung dieses Systems ist nicht eindeutig im Hinblick auf verschiedene Widersprüchlichkeiten in der Beschreibung. Indessen scheint es jedoch, daß in praktischer Hinsicht nur eine sehr geringfügige Winkelbewegung der Sonne weg von der Senkrechten (bei Betrachten von dem Ende des Reflektor-Konzentrators und Kollektors) bei diesem System berücksichtigt werden kaan und gewiß kann nicht berücksichtigt werden

m das Ausmaß der jährlichen Veränderung des Sonnenwinkels relativ zu der Waagerechten. Weiterhin ist dieses System relativ verwickelt aufgebaut und in einem erheblichen Ausmaß in einem großen Maßstab im Hinblick auf die Anforderungen an den Führungsnocken und den i eleskoparm unpraktisch. Es scheint, daß zur Anwendung dieser Anordnung über eine längere Zeitspanne an Tagen oder Jahreszeiten und sogar während großer Veränderungen des Sonnenwinkels während einiger Tage des Jahres der Reflektor-Konzentrator auch eine gewisse

Kipp- oder Schwenkumorientierung erfahren muß zwecks Verändern der Winkellage der Brennlinie des Spiegels, und dies zusätzlich zu dem Erfordernis der Anwendung einer Anordnung aus Nocken und teleskopartigem Kollektor-Tragarm.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der Erfindung nun die Aufgabe, zugrunde, durch konstruktive Detailverbesserungen einen höheren Wirkungsgrad zu eirielen.

so Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nun in kennzeichnender Weise dadurch gelöst daß die Anordnung zum Feststellen der Sonnenenergie auf der dem Reflektor zugewandten Seite des Kollektors vorgesehen ist, sich quer über die Breite des Kollektors erstreckt und aus einer Reihe an sich bekannter, einzelner Photozellen oder Wärmefeststellanordnungen besteht, und daß die einzelnen Photozellen oder Wärmefeststellanordnungen in Form von zwei nebeneinander angeordneten, in zwei Richtungen arbeitenden Sätzen vorliegen, wobei die

Berührungslinien der beiden Sätze auf der längsseitigen Mittellinie des Kollektors liegen.

Eine weitere kennzeichnende Fortbildung des Erfindungsgegenstandes besteht darin, daß die Photozellen oder Wärmefeststellanordnungen in Form von zwei Sätzen vorliegen, deren Mittelzonen praktisch im gleichen Abstandsverhältnis an jeder Seite der Sonnenenergie-Sammelmittellinie des Kollektors vorliegen.
Der erfindungsgemäß erzielte Vorteil ist darin zu sehen, daß es die kennzeichnende Anordnung ermöglicht,

ganzjährig während der Sonneneinstrahlung jedes Tages ein Maximum an Strahlungsenergie aufzufangen und nutzbar zu machen, also eine optimale Ausbeute an Sonnenenergie zu erreichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Gebäudes, wie eines Hauses, Produktionsstättc.

Schule usw.;

F i g. 2 eine schematische Ansicht des schwenkbaren Kollektors und des gesamten Wärmeaustauschersystems gemäß der Ausführungsform nach F i g. 1, wobei der Kollektor bezüglich weiterer Einzelheiten wiedergegeben

Il F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 nach der F i g. 2;

p Fig.4 diagrammförmige Darstellungen der Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 1 zu verschiedenen

p| Zeitpunkten während des Jahres, verschiedene Winkel- und Dimensionsverhältnisse gemäß einer gegebenen

|f bevorzugten Ausführungsform;

ja Fig.5 eine weggebrochene Ansicht des Kollektors und zeigt die darauf angeordnete differentielle, die

f| Energie feststellende Photozellenanordnung.

pj Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ist ein Gebäude zur Wärmenutzung, wie ein Haus,

ΐλ Schule, Produktionsanlage usw. durch das Bezugszeichen 11 wiedergegeben und besitzt einen Reflektor 21 und

& kann ebenfalls eine oder mehrere weitere Dachoberflächen 31 jeder beliebigen Konfiguration aufweisen. Das

j| Ausmaß des Reflektors 21 hängt allgemein von der für eine angestrebte Anwendung erforderlichen Menge an

% Sonnenenergie ab. Zum Erzielen eines größtmöglichen Sammelns an Energie ausgehend von einer gegebenen

% Dachgröße, kann das gesamte Dach als ein Reflektor 21 ausgebildet sein. Gegebenenfalls können in den Wänden

hi 13£ 13c 136 Fenster 15 und Türen 17 vorgesehen sein.

|a Der Reflektor 21 kann aus jedem geeigneten, die Sonnenstrahlen reflektierenden Material gefertigt sein. Die

jjj gewünschte Krümmung des Reflektors 21 kann als eine glatte Kurve oder in Form von geraden oder gekrümm-

i§ ten Linien darstellenden Segmenten gebildet sein.

jg Der Reflektor 21 liegt gegenüber dem Süden und hierzu geneigt, so daß die gegenüberliegenden Enden direkt

|j in Ost-West-Richtung orientiert sind (F i g. 1; Pfeile N, E, S, W).

g Der stationäre Reflektor 21 reflektiert und konzentriert die Sonnenenergie in eine Zone größtmöglichen

p Zusammenlaufens der Sonnenstrahlen, die ihre Lage als Funktion des Sonnenwinkels bezüglich 'A?r Horizonta-

F= !en verändert, -wie es anhand einer nord-südüch verlaufenden senkrechten Ebene gemessen wird, die durch das

I Dach bzw. den Reflektor 21 verläuft Ein Kcdektor 51 ist z. B. vermittels Schwenkarmen 45 beweglich für das f| Ausführen einer nach hinten und vorne gerichteten Bewegung in nord-südlicher Richtung über dem Reflektor 21 -

|.j angeordnet, siehe hierzu allgemein die F i g. 4.

H Die Schwenkanne 45 werden längs einer waagerechten Ost-West-Linie geschwenkt, die sich unter, über oder

§ auf der Oberfläche des Reflektors 21 befinden kann, wobei allgemein lediglich kleine Unterschiedlichkeiten in

II dem Wirkungsgrad der Anordnung aus Reflektor 21 und Kollektor 51 auftreten. Bei der wiedergegebenen Il Ausführungsform sind die Schwenkarme 45 an Schwenkträgern 49 angeordnet, die unterhalb der Oberfläche des § Reflektors 21 und auf einer Linie TR (F i g. 4) liegen, die eine Tangente zwischen den Bogensegment^n SR 1 und

fir SR 2 bildet, die durch die zwei Radien R1 und R 2 gebildet werden mit deren Mittelpunkten R1C und R 2C. Bei

jj der wiedergegebenen Ausführungsform, wie allgemein gezeigt, beläuft sich das Verhältnis der sich unter der

£, Reflektorsehnenlänge erstreckenden Fläche zu der wirksamen Kollektoroberfläche des Kollektors auf angenä-

. hert 9:1, wodurch eine größtmögliche Konzentration oder Verstärkungsfaktor von nicht mehr als 9 erzielt wird.

;' Jedoch verringern auch andere Faktoren, wie der Neigungswinkel und das Dazwischentreten des Kollektors 51

in den Laufweg der Sonnenstrahlen zu dem Reflektor 21 (wie während der Sommerzeit) den größtmöglichen Wert auf einen kleineren möglichen Wert für verschiedene Sonnenwinkel. Dieser Faktor hängt weiterhin von dem Ausmaß ab, mit dem der Kollektor 51 die Zone der Sonnenreflektion auffängt, wie es weiter unten im einzelnen erläutert ist

Die Anordnung des Kollektors 51 und der Schwenkarme 45 kann zweckmäßigerweise ein Gegengewicht aufweisen, 1. B. durch Vorsehen der Gegengewichte 48 und die Schwenkarme 45 sind zweckmäßigerweise an der Schwenkzone durch ein Drehrohr oder eine Welle 110 miteinai: Jer verbunden, um so eine zusätzliche Starrheit zu vermitteln.

Der Kollektor 51 kann zweckmäßigerweise mit einer Mehrzahl seitlich nebeneinander angeordneter Rohre 54 für ein Wärmeübertragungsmittel versehen sein, durch das ein geeignetes Strömungsmittel, wie Wasser, Gas, geführt werden kann für das Sammeln der von dem Reflektor 21 reflektierten Sonnenenergie. An jedem Ende « können die Verbindung der paralleJen Rohre 54 Hauptleitungen 55, 57 mit gemeinsamen Zuführungs- und Rückführungsleitungen 71, 73 angewandt werden, die sich an den zwei endständigen Schwenkarmen 45 befinden.

Wie anhand der F i g. 3 gezeigt, ist der Kollektor 51 mit Energie absorbierenden Rohren 54 in Form schwarzer Körper so ausgerüstet, daß dieselben längs der Schwenkachse des Kollektors 51 nach unten gerichtet sind und somit bei einem gegebenen Winkel dieser Anordnung gegenüberliegend zu der von dem Reflektor 21 kommenden Sonnenreflexion bezüglich eines gegebenen Sonnemhöhewinkeis vorliegen. Der Kollektor 51 ist vorzugsweise an seiner äußeren Oberfläche, die weg von dem Ref!ekto^r 21 gerichtet ist isoliert, und das gleiche gilt bezüglich der Schwenkachse des Kollektors 51 z. B. vermittels einer Isolation 52 in Form einer starren U-förmigen Abdeckplatte 53 aus undurchsichtigem Material. Unter den Rohren 54 köiv^.n eine oder mehrere Glasplatten 56 als durchsichtige Abdeckungen für die Sonnenenergie vorgesehen sein. Die gesamte Anordnung kann z. B. vermittels Gewindebolzen oder Verschweißungen an der Abdeckplatte 53 befestigt sein, wobei Muttern und Halterungen die Glasplatte 56 und die Leitungen 55, 57 an Ort und Stelle halten. Die Glasplatte liegt vorzugsweise zwischen zwei Schichten eines elastischen und stoßfesten Materials 69, wie Weichgummi vor.

Die von den Photozellen 113, 115 abgegebenen Leistungen werden gegeneinander abgeglichen, z. B. durch Anwenden einer gemeinsamen Ausgangsverbindung für die zwei Photozellen, und die von denselben abgegebenen Leistungen werden in einem abgeglichenen Verhältnis in einen Differentialverstärker eingeführt, dessen Gleichstromleistung proportional der Differenz der Eingangssignale von den Photozellen 113,115 ist.

Die von dem Differentialverstärker kommende Gleichstromleistung kann in geeigneter Weise verstärkt werden, z. B. venräuels eines Gleichstromverstärkers, der seinerseits ein Dreiwegertlais steuern kann, das Vorwärts-Rückwärts-, und Leergang- oder Stopplagen aiwfweisi für die Steuerung der elektrischen Energie, die einem Gleichstrommotor: oder anderem geeigneten Motor M zugeführt wird. Der Motor M treibt seinerseits die Anordnung aus Schwenkarm 45 und Kollektor 51 nach vorne und hinten

um die zugeordnete Welle 110 über ein Untersetzungsgetriebe GR, Antriebsschnecke 121 und Mutteranordnung 123, die in geeigneter Weise an dem Schwenkarm 45 befestigt ist.

Wie anhand der F i g. 1 und 2 gezeigt, kann der Motor Λ/in geeigneter Weise schwenkbar angeordnet sein und die Mutteranordnung 123 kann in geeigneter Weise schwenkbar an dem Schwenkarm 45 angelenkt sein, um so s Winkelveränderungen in den Verbindungsgliedern während der Bewegung des Schwenkarms 45 aufzunehmen.

Die Photozellen 113,115 können zu der aktiven oder passiven Art gehören, und in dem Fall einiger Arten, die ein relativ starkes Ausgangssignal ergeben, kann es sich als zweckmäßig erweisen, die Ausgangsleistung derselben im abgeglichenen Verhältnis direkt einem Dreiwegerelais oder anderer Schaltanordnung für den Motor M zuzuführen.

to Wie weiter oben allgemein ausgeführt, können auch anstelle der Photozellen 113,115 andere geeignete, auf Sonnenenergie ansprechende Fühlanordnungen angewandt werden. So können z. B. auf Wärmeenergie ansprechende und ihren Widerstand verändernde Drähte angewandt werden, auch hier angeordnet in einem abgeglichenen Ausgangsleistungsverhältnis, z. B. unter Anwenden von zwei Sätzen oder mehr derartiger Drähte auf dem Kollektor 51 bei einer qucrseitigen Anordnung der der Reflektorfläche gegenüberliegenden Oberfläche des Kollektors 51, wobei die elektrischen Ausgangsleistungen einen geeigneten Differentialverstärker oder anderer entsprechender Differentialanordnung zugeführt werden. Das Differential zwischen den Ausgangsleistungen der zwei Sätze derartiger Drähte oder der sich parallel zu denselben ergebenden Signale werden entweder direkt angewandt oder für die Steuerung der Vorwärts-Rückwärts· oder Stopplage eines Motors M und zugeordneter Üetriebeanordnung verstärkt

Wahlweise zu einem Umschalten des Motors M kann auch ein entsprechender Umkehrgetriebe und Kupplungsanordnung angewandt werden. Dies würde jedoch normalerweise unzweckmäßig sein im Hinblick auf die im Zusammenhang mit einem kontinuierlichen Betrieb des Antriebsmotors M erforderlichen Energie.

Als spezielles Ausführungsbeispiel seien für Breitengrade von angenähert 30—40° die folgenden Verhältnisse genannt, wobei Bezug genommen wird auf die Bezugszeichen und Bauelemente nach der Fig.4 mit der Horizontalen H.

Radius R 1 des vorderen Bogensegmentes SÄ 1 - 19,8 Einheiten

Radius R 2 des hinteren Bogensegmentes SR 2 — 15,0 Einheiten
Winkel B, der durch die Linie f77y gemeinsam mit den Radien

jo R1 und R 2 gebildet wird - 75°

Effektive Breite CWdes Kollektors 51 - U2 Einheiten

Länge des Schwenkarms 45 - TJ. Einheiten
Winkel A gebildet durch die Sehnenlinie, die sich zwischen den

vorderen und hinteren waagerechten Linien X und Verstreckt — 20°

Länge a - 3,4 Einheiten

Länge b - 9,4 Einheiten

Länge c =6 Einheiten Länge/" » U5 Einheiten Längen - 0,45 Einheiten Bogensegment SÄ 1 = 4 Einheiten Bogensegment SR 2 « 6,8 Einheiten

kleinster Sonnenwinkel MJVSangestrebt für den Kollektor 51 = 18°

größter Sonnenwinkel MXS angestrebt für den Kollektor 51 = 104°
kleinster erforderlicher Winkel ΜΛ/Cfürdie Kollektor-

Schwenkarmanordnung 51,45 für die Aufnahme des größtmöglich

angestrebten Sonnenwinkels (von angenähert 104°) = 46°
größter erforderlicher Winkel MXCfür die Kollektor-Schwenkarmanordnung 51,45 für
die Aufnahme des kleinsten möglichen

so Sonnen winkeis (von angenähert 18°) - 132°

Für normale praktische Zwecke kann die allgemeine angenäherte und angestrebte Winkellage der Anordnung aus Kollektor 51 und Schwenkarm 45 für einen gegebenen Sonnenwinkel dadurch bestimmt werden, daß der Winkel IR zwischen dem Schwenkarm 45 und der tangentialen Linie TR angenähert gleich dem Winkel /S gebildet wird, der sich zwischen den eintreffenden Sonnenstrahlen und der tangentialen Linie des Schwenkarms 45 für jeden Sonnenwinkei für einen gegebenen Reflektor 21 durchgeführt werden, entweder durch eine empirische Auftragung oder Computer- oder mathematischen Analyse der zusammenlaufenden Linien längs der Vorne-nach-hinten-Abmessung des Reflektors, wobei der Kolleltor so angeordnet ist daß bei den verschiedenen Sonnenwinkeln die größtmögliche Maximierung des Auffangens der reflektierten Sonnenenergie erzielt wird, wobei entsprechende Kompromisse geschlossen werden zwischen Maxima bei verschiedenen Winkeln, wie sich dies für eine gegebene örtlichkeit usw. als zweckmäßig erweist Eine derartige Berechnung ist jedoch erfindungsgemäß nicht erforderlich, da die Anordnung aus Kollektor 51 und Schwenkarm 45 in eine Lage gebracht wird, wo eine optimale Sammlung der Energie für jede jeweilige Winkellage der Sonne über dem Horizont erfolgt (innerhalb der praktischen Grenzwerte einer wirksamen Nutzung der Sonnenenergie) aufgrund der dis Energie feststellenden und die Anordnung nachstellenden Anordnung 1! 1 zusammen mit den entsprechenden Steuerungen 125.

Der durch die Wärme absorbierenden Rohre 54 strömende Wärmeträger durchläuft einen Kreislauf mit Sammlern, Wärmetauschern, Pumpen, Ventilen und weiteren üblichen Bauteilen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Konzentrieren von Sonnenenergie mit einem über einen Reflektor bewegbar angeordneten Kollektor und mit einer Anordnung zum Feststellen der auf die Vorrichtung einfallenden Sonnenenergie, weiche mit einer Steuereinrichtung zusammenwirkt, die den Kollektor in eine Position für größtmögliche Energieaufnahme bringt, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (111) zum Feststellen der Sonnenenergie auf der dem Reflektor (21) zugewandten Seite des Kollektors (51) vorgesehen ist, sich quer über die Breite (CW) des Kollektors (51) erstreckt und aus einer Reihe an sich bekannter, einzelner Photc wellen (113,115) oder Wärmefeststellanordnungen besteht, und daß die einzelnen Photozellen (113,115) oder

ίο Wärmefeststellanordnungen in Form von zwei nebeneinander angeordneten, in zwei Richtungen arbeitenden Sätzen vorliegen, wobei die Berührungslinien der beiden Sätze auf der längsseitigen Mittellinie des Kollektors (51) liegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Photozellen (113,115) oder Wärmefeststellanordnungen in Form von zwei Sätzen vorliegen, deren Mittelzonen praktisch im gleichen Abstandsverhältnis an jeder Seite der Sonnenenergie-Sammelmittellinie des Kollektors (51) vorliegen.