[0001] Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor mit einem für eine Aufstellung in Nord-Süd-Ausrichtung vorgesehenen länglichen Wärmestrahlungs-Aufnehmer und mit einer zur Aufstellung an zumindest einer Längsseite des Aufnehmers vorgesehenen Reflektoranordnung mit entsprechend dem Sonnenstand gesondert schwenkbar angeordneten, hohlspiegelartig ausgebildeten, länglichen Reflektorelementen.
[0002] Ein Sonnenkollektor dieser Art ist aus der US 2002/0 075 579 A1 bekannt. Die konkaven Reflektorelemente sind in einem Traggestell in einer gestaffelten, linearen Anordnung hintereinander einem Wärmestrahlungs-Aufnehmer, insbesondere einer länglichen Fotovoltaik-Anlage zugeordnet.
Die Befestigung der Reflektorelemente im Traggestell erfolgt mittels Konsolen, wobei primär eine feste Position vorgesehen, jedoch ganz allgemein auch eine Schwenkbarkeit relativ zum Aufnehmer und zueinander erwähnt wird. Nichtsdestoweniger ist die Effizienz dieses Sonnenkollektors im Hinblick auf die relativ eng gestaffelte lineare Anordnung der Reflektorelemente verhältnismässig gering.
[0003] Ein ähnlicher Sonnenkollektor ist aus der EP 1 754 942 A1 bekannt. Dieser bekannte Sonnenkollektor weist im montierten Zustand einen aus einem Absorberrohr bestehenden Wärmestrahlungs-Aufnehmer, dort Receiver genannt, auf, durch den ein als Wärmespeicher wirkendes Wärmemedium strömt. Beidseits dieses Absorberrohrs sind an einem ebenen Spiegel-Tragwerk Reflektorelemente angebracht, die hier jeweils plan ausgebildet sind, und die schwenkbar am Spiegeltragwerk angeordnet sind.
Zum Verschwenken der Reflektorelemente oder Spiegel ist eine Schubstange vorgesehen, die mit allen Reflektorelementen (Spiegeln) auf der jeweiligen Seite der Spiegelanordnung verbunden ist, um die Spiegel gemeinsam zwecks Sonnen-Nachführung zu verschwenken. Dabei ergibt sich jedoch unabhängig vom Abstand des jeweiligen Reflektorelements von der Vertikalebene durch das Absorberrohr ein und dieselbe Schwenklage für alle Reflektorelemente, so dass die Wärmestrahlung nicht optimal auf das Absorberrohr gerichtet werden kann, abgesehen von der Ausbildung der Reflektorelemente als plane Spiegel, die ebenfalls zu einem verminderten Wirkungsgrad bei der Reflexion der Wärmestrahlung zum Absorberrohr oder allgemein Wärmestrahlungs-Aufnehmer führt.
Erschwert wird dieser Nachteil noch dadurch, dass ein Absorberrohr mit vergleichsweiser geringer Dimension vorhanden ist, welches an sich eine möglichst gute Fokussierung der Wärmestrahlung erforderlich machen würde.
[0004] Ein weiterer Sonnenkollektor dieser Bauart, mit einer ebenen Anordnung von Reflektorelementen, mit den angeführten Nachteilen, ist in der WO 98/28 579 A beschrieben.
[0005] Ein vergleichbarer Sonnenkollektor mit einzelnen Reflektorelementen ist weiters in der DE 3 119 683 A1 geoffenbart, wobei auch hier eine gemeinsame Drehachse zur Nachführung der Spiegelflächen zur Sonne vorgesehen ist, und wobei die Spiegelflächen plan sind.
Damit ergeben sich aber auch hier die vorstehend erwähnten Nachteile, auch wenn die Spiegelflächen gemäss einer geneigten Ebene auf jeder Seite der Anordnung vorgesehen sind.
[0006] Aus der US 6 363 928 B1 und der DE 19 952 276 A1 sind Sonnenkollektor-Anordnungen bekannt, die zwei Spiegelschalen-Reflektoren aufweisen, welche das Sonnenlicht auf ein Rohr richten, welches von einem Wärmeübertragungs-Medium durchströmt wird. Die Schalen sind parabolförmig ausgebildet und können um eine Achse verschwenkt werden, um die Reflexion der Sonnenstrahlung auf das Rohr zu optimieren. Ein Nachteil dieser bekannten Sonnenkollektor-Anordnungen besteht darin, dass sie nur für kleindimensionierte Ausführungen geeignet sind, da die Spiegelschalen an einem Ständer um eine gemeinsame Schwenkachse verschwenkbar angebracht sind und einer grossdimensionierten Ausbildung hinderlich sind.
Wünschenswert wären jedoch Grössen der Sonnenkollektoren mit einem Fläche ausmass von z.B. 100 m<2> oder mehr.
[0007] Auch die in der DE 10 2004 037 722 A1 geoffenbarte Spiegelreflex-Solaranlage mit einer Solarplatte, die rechteckig ausgeführt ist, wobei an allen vier Seiten Spiegelplatten schwenkbar angeordnet sind, ist nur für kleine Dimensionen geeignet, wobei hier überdies der Wirkungsgrad im Hinblick auf die nicht optimale Reflexion von Sonnenstrahlung auf die Solarplatte niedrig ist.
[0008] Es ist nun Aufgabe der Erfindung, einen Sonnenkollektor der eingangs angeführten Art vorzuschlagen, der einerseits möglichst einfach konstruiert und montierbar ist,
und der anderseits einen möglichst guten Wirkungsgrad aufweist und überdies für grossdimensionierte Anlagen geeignet ist.
[0009] Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung einen Sonnenkollektor wie in Anspruch 1 definiert vor. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0010] Mit der erfindungsgemässen Ausbildung wird eine Annäherung an einen parabolischen Gesamt-Reflektor erreicht, wobei nichtsdestoweniger einfache, insbesondere ebene, Reflektorsegmente zu hohlspiegelartig ausgebildeten Reflektorelementen oder -einheiten zusammengefügt werden, welche unabhängig voneinander und damit je nach Abstand vom Wärmestrahlungs-Aufnehmer bzw. einer durch diesen verlaufenden Ebene optimiert für eine maximale Reflexion von Wärmestrahlung zum Aufnehmer verschwenkt werden können.
Die Reflektorsegmente sind insbesondere streifenförmig, d.h. mit einer im Vergleich zur Breite grossen Länge, ausgebildet, wobei bevorzugt drei, eventuell auch nur zwei oder aber vier oder mehr derartige Reflektorsegmente winklig zu einer festen Einheit miteinander verbunden werden können, um so einen parabolischen Hohlspiegel anzunähern. Weiters wird durch die Anordnung der Reflektorelemente auf jeder Seite des Sonnenkollektors (gegebenenfalls aber auch - bei einer bloss einseitigen Anordnung - nur auf der einen Seite des Wärmestrahlungs-Aufnehmers) eine gesamtparabolische Anordnung angenähert, wodurch wie erwähnt die Sonnenstrahlen-Reflexion zum Wärmestrahlungs-Aufnehmer maximiert werden kann.
[0011] Zur gesonderten Verschwenkung eines jeden Reflektorelements ist jedem Reflektorelement bevorzugt ein eigener Antriebsmotor zugeordnet.
Die Antriebsmotoren können mit einer insbesondere gemeinsamen Steuereinheit zur Nachführung der Reflektorelemente entsprechend dem jahres- und tageszeitlichen Sonnenstand verbunden sein. Die bevorzugt gemeinsame Steuereinheit kann dabei an sich wie bekannt mit Sensoren ausgebildet sein, die den Stand der Sonne erfassen, um so die Antriebsmotoren entsprechend anzusteuern und dadurch die Reflektorelemente nachzuführen.
Es ist aber im Hinblick auf eine einfache Ausbildung auch möglich, die gemeinsame Steuereinheit mit einem fest vorgegebenen Steuerprogramm, mit Uhr und Kalender, auszubilden, um so die Antriebsmotoren nach fest vorgegebenen Abläufen, entsprechend der Jahreszeit sowie der jeweiligen Tageszeit, anzusteuern.
[0012] Der Wärmestrahlungs-Aufnehmer ist mit Vorteil in Form eines rechteckigen, im Betrieb aufrechten, plattenförmigen Wärmetauschers ausgebildet, wobei die "Platte" im Wesentlichen gleich lang wie die Reflektorsegmente sein kann.
Weiters ist es besonders vorteilhaft, wenn der Wärmestrahlungs-Aufnehmer ein schwarzer Wärmetauscher ist, um so beispielsweise Wasser auf hohe Temperaturen aufzuheizen.
[0013] Es sei hier erwähnt, dass aus der AT 352 354 B ein flach ausgebildetes Metall-Rohr als Wärmeaufnehmer, allerdings bei einem festen Kollektor in Kleinbauweise, bekannt ist.
[0014] Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert.
[0015] In der Zeichnung zeigt die einzige Zeichnungsfigur eine schematische Ansicht einer Sonnenkollektor-Anordnung gemäss der Erfindung.
[0016] Der in der Zeichnung dargestellte Sonnenkollektor 1 weist einen in der Betriebsstellung vertikal angeordneten Wärmestrahlungs-Aufnehmer 2 auf,
der als Schwarzkörper-Wärmetauscher mit einer Rohrschlange und mit Wärmetauschermedium-Anschlüssen 3, 4 ausgebildet ist. Als Medium wird beispielsweise einfach Wasser verwendet, das für den Zu- bzw. Ablauf 3 bzw. 4 mit üblichen Nutzanlagen kommuniziert.
[0017] Beidseits des Wärmestrahlungs-Aufnehmers 2 sind Reflektorelemente 5 bzw. 5 ¾ vorgesehen, die insgesamt eine Reflektoranordnung 6 beidseits des Aufnehmers 2 definieren und je durch eine starre, hohlspiegelartige Einheit gebildet sind. Im Einzelnen weisen diese Reflektorelemente 5 bzw. 5 ¾ mehrere, zum Beispiel drei (siehe die Reflektorelemente 5) oder aber auch vier (siehe die äusseren Reflektorelemente 5 ¾) ebene, streifenförmige Reflektorsegmente 7 auf, die in jedem Reflektorelement 5 bzw. 5 ¾ starr und winklig miteinander verbunden sind, um so einen parabolspiegelartigen Hohlspiegel anzunähern.
Diese als starre Einheiten ausgeführten, aus ebenen Reflektorsegmenten 7 gebildeten Reflektorelemente 5 bzw. 5 ¾ sind weiters zur Optimierung der Strahlungsreflexion in Richtung Aufnehmer 2 im montierten Zustand (Betriebszustand) entsprechend einer bevorzugt parabolisch gekrümmten, nur schematisch mit einer Projektionslinie angedeuteten Fläche 8 bzw. 8 ¾ angeordnet, wobei im Einzelnen die Reflektorelemente 5 bzw. 5 ¾ mit ihren Mitten die Schwenkachsen 9 bzw. 9 ¾ definieren, entsprechend diesen Flächen 8 bzw. 8 ¾ angeordnet sind.
[0018] In Fluchtung zu den Schwenkachsen 9, 9 ¾ greifen die Ausgangs-Drehwellen 10 von Motoren 11 an den Reflektorelementen 5 bzw. 5 ¾ an. Die Reflektorelemente 5 bzw. 5 ¾ sind dabei mit ihren Schwenkachsen 9 bzw. 9 ¾ in einem nicht näher dargestellten Traggestell, das schematisch durch die Flächen bzw.
Kurven 8 bzw. 8 ¾ in der Zeichnung veranschaulicht wird, auf an sich herkömmliche Art schwenkbar gelagert. Das im Übrigen nicht näher dargestellte Traggestell kann weiters auch die den einzelnen Reflektorelementen 5 bzw. 5 ¾ zugeordneten Motoren 11 tragen.
[0019] Die Motoren 11 sind alle an eine gemeinsame Steuereinheit 12 angeschlossen.
Diese gemeinsame Steuereinheit 12 enthält der Einfachheit halber ein fest vorgegebenes Steuerprogramm zum Verschwenken der Reflektorelemente 5, 5 ¾ abhängig von der jeweiligen Tageszeit sowie auch Jahreszeit, wobei die Motoren 11 für die äusseren Reflektorelemente 5 ¾ derart angesteuert werden, dass sie im Tagesverlauf eine stärkere Schwenkbewegung ausführen als die innenliegenden Reflektorelemente 5, um so auch bei grösserem Abstand eine optimale Reflexion der sie treffenden Sonnenstrahlung zum Wärmestrahlungs-Aufnehmer 2 zu gewährleisten.
[0020] Zwischen den Reflektorelementen 5, 5 ¾ sind Spalten vorhanden, so dass eine Luftzirkulation möglich ist.
[0021] Die Reflektorsegmente 7 haben die selbe Länge L wie der Aufnehmer 2 (in Nord-Süd-Richtung), um so einen optimalen Wirkungsgrad auch hinsichtlich der Strahlungsreflexion sicherzustellen, d.h.
ohne zu wenig Wärmestrahlung zum Aufnehmer 2 gelangen zu lassen, oder ohne Wärmestrahlung am Aufnehmer 2 vorbei zu reflektieren.
[0022] Selbstverständlich sind die jeweils zwei Reflektorelemente 5, 5 ¾ auf jeder Seite des Aufnehmers 2 zwecks Bildung der Reflektoranordnung 6 nur beispielhaft zu verstehen, und es können auch mehr als jeweils zwei solcher Reflektorelemente vorgesehen werden, je nach Grösse der Anlage und nach Grösse des Aufnehmers 2. Die Reflektorsegmente 7 können als Glasspiegel ausgeführt sein, und der plattenförmige Aufnehmer 2 kann als Rohr-Wärmetauscher mit einer nicht näher dargestellten Rohrschlange innerhalb des Plattenkörpers sein. Die Motoren 11 sind zweckmässig durch elektrische Schrittmotoren ausgebildet, theoretisch denkbar sind jedoch auch andere Arten von Motoren, wie insbesondere auch Hydraulikmotoren.
The invention relates to a solar collector with an intended for installation in north-south orientation elongated heat radiation transducers and provided for installation on at least one longitudinal side of the receiver reflector assembly with according to the position of the sun separately pivotally mounted, mirror-like, elongated reflector elements ,
A solar collector of this type is known from US 2002/0 075 579 A1. The concave reflector elements are assigned in a support frame in a staggered, linear arrangement one behind the other a heat radiation transducer, in particular an elongated photovoltaic system.
The attachment of the reflector elements in the support frame by means of brackets, wherein primarily provided a fixed position, but quite generally also a pivoting relative to the transducer and each other is mentioned. Nevertheless, the efficiency of this solar collector is relatively low in view of the relatively narrow staggered linear arrangement of the reflector elements.
A similar solar collector is known from EP 1 754 942 A1. In the mounted state, this known solar collector has a heat radiation sensor consisting of an absorber tube, called a receiver there, through which a heat medium acting as a heat storage medium flows. On both sides of this absorber tube reflector elements are mounted on a flat mirror structure, which are each plan here, and which are pivotally mounted on the mirror frame.
For pivoting the reflector elements or mirror a push rod is provided, which is connected to all reflector elements (mirrors) on the respective side of the mirror assembly to pivot the mirrors together for the purpose of solar tracking. However, this results regardless of the distance of the respective reflector element from the vertical plane through the absorber tube one and the same pivotal position for all reflector elements, so that the heat radiation can not be optimally directed to the absorber tube, apart from the formation of the reflector elements as a plane mirror, which also a reduced efficiency in the reflection of the heat radiation to the absorber tube or generally heat radiation transducer leads.
This disadvantage is compounded by the fact that an absorber tube with a comparatively small dimension is present, which would in itself require the best possible focusing of the heat radiation.
Another solar collector of this type, with a planar arrangement of reflector elements, with the stated disadvantages, is described in WO 98/28 579 A.
A comparable solar panel with individual reflector elements is further disclosed in DE 3 119 683 A1, wherein also here a common axis of rotation is provided for tracking the mirror surfaces to the sun, and wherein the mirror surfaces are flat.
But here too, the above-mentioned disadvantages arise, even if the mirror surfaces are provided according to an inclined plane on each side of the arrangement.
Solar collector arrangements are known from US Pat. No. 6,363,928 B1 and DE 19 952 276 A1, which have two mirror shell reflectors which direct the sunlight onto a pipe through which a heat transfer medium flows. The shells are parabolic and can be pivoted about an axis to optimize the reflection of solar radiation on the tube. A disadvantage of these known solar collector arrangements is that they are only suitable for small-sized versions, since the mirror shells are pivotally mounted on a stand about a common pivot axis and a large-scale training hinder.
However, it would be desirable to have sizes of solar panels with a surface area of e.g. 100 m <2> or more.
The disclosed in DE 10 2004 037 722 A1 mirror reflex solar system with a solar panel, which is rectangular, with mirror plates are pivotally mounted on all four sides, is suitable only for small dimensions, in which case also the efficiency in terms is low on the non-optimal reflection of solar radiation on the solar panel.
It is an object of the invention to provide a solar collector of the type mentioned, on the one hand as simple as possible constructed and assembled,
and on the other hand has the best possible efficiency and is also suitable for large-scale systems.
To solve this problem, the invention provides a solar collector as defined in claim 1. Advantageous embodiments and further developments are specified in the subclaims.
With the inventive construction, an approximation to a parabolic total reflector is achieved, nonetheless simple, in particular flat, reflector segments are joined together to mirror-like reflector elements or units, which independently and thus depending on the distance from the heat radiation transducer or an optimized by this plane can be pivoted for maximum reflection of heat radiation to the transducer.
The reflector segments are in particular strip-shaped, i. formed with a large compared to the width, with preferably three, possibly only two or four or more such reflector segments can be connected to each other at an angle to a fixed unit, so as to approximate a parabolic concave mirror. Furthermore, by the arrangement of the reflector elements on each side of the solar collector (but possibly also - in a one-sided arrangement - only on one side of the heat radiation transducer) approximated an overall parabolic arrangement, which as mentioned maximizes the solar radiation reflection to the heat radiation pickup can be.
For a separate pivoting of each reflector element, each reflector element is preferably assigned its own drive motor.
The drive motors can be connected to a particular common control unit for tracking the reflector elements in accordance with the year and daytime sun. The preferred common control unit can be formed as known per se with sensors that detect the state of the sun so as to drive the drive motors accordingly and thereby track the reflector elements.
But it is also possible in terms of a simple training, the common control unit with a fixed control program, with clock and calendar form, so as to drive the drive motors according to fixed procedures, according to the season and the respective time of day.
The heat radiation transducer is advantageously formed in the form of a rectangular, upright in operation, plate-shaped heat exchanger, wherein the "plate" may be substantially the same length as the reflector segments.
Furthermore, it is particularly advantageous if the heat radiation transducer is a black heat exchanger, for example, to heat water to high temperatures.
It should be mentioned here that from AT 352 354 B a flat trained metal tube as a heat absorber, but at a fixed collector in small construction, is known.
The invention will be explained below with reference to preferred embodiments, to which it should not be limited, and with reference to the drawings.
In the drawing, the single drawing figure shows a schematic view of a solar collector arrangement according to the invention.
The solar collector 1 shown in the drawing has a vertically disposed in the operating position heat radiation transducer 2,
which is designed as a blackbody heat exchanger with a coil and with heat exchanger medium connections 3, 4. As a medium, for example, simply water is used, which communicates for the inlet and outlet 3 and 4 with conventional utility.
On both sides of the heat radiation pickup 2 reflector elements 5 and 5 ¾ are provided, which define a total of a reflector assembly 6 on both sides of the pickup 2 and are each formed by a rigid, mirror-like unit. In detail, these reflector elements 5 and 5 ¾ a plurality, for example three (see the reflector elements 5) or even four (see the outer reflector elements 5 ¾) flat, strip-shaped reflector segments 7, in each reflector element 5 or 5 ¾ rigid and are connected at an angle to each other so as to approximate a parabolic mirror-like concave mirror.
These reflector elements 5 or 5 ¾ designed as rigid units and formed from planar reflector segments 7 are furthermore for optimizing the radiation reflection in the direction of transducer 2 in the assembled state (operating state) corresponding to a preferably parabolically curved surface 8 or 8, which is only schematically indicated by a projection line In particular, the reflector elements 5 and 5 ¾ define with their centers the pivot axes 9 and 9 ¾, corresponding to these surfaces 8 and 8 ¾ are arranged.
In alignment with the pivot axes 9, 9 ¾ attack the output rotary shafts 10 of motors 11 to the reflector elements 5 and 5 ¾. The reflector elements 5 and 5 ¾ are with their pivot axes 9 and 9 ¾ in a support frame, not shown, which is schematically represented by the surfaces or
Curves 8 and 8 ¾ is illustrated in the drawing, pivotally mounted in a conventional per se. The supporting frame, which is otherwise not shown in detail, can furthermore also carry the motors 11 assigned to the individual reflector elements 5 and 5, respectively.
The motors 11 are all connected to a common control unit 12.
This common control unit 12 includes for simplicity, a fixed control program for pivoting the reflector elements 5, 5 ¾ depending on the time of day as well as the season, the motors 11 are controlled for the outer reflector elements 5 ¾ such that they during the day a stronger pivotal movement perform as the internal reflector elements 5, so as to ensure an optimal reflection of the solar radiation they hit the heat radiation pickup 2 even at a greater distance.
Between the reflector elements 5, 5 ¾ columns are present, so that air circulation is possible.
The reflector segments 7 have the same length L as the transducer 2 (in north-south direction) so as to ensure optimum efficiency also in terms of radiation reflection, i.
without too much thermal radiation to get to the transducer 2, or without heat radiation to reflect on the transducer 2 over.
Of course, the two reflector elements 5, 5 ¾ on each side of the transducer 2 for the purpose of forming the reflector assembly 6 are to be understood as exemplary only, and it can also be more than two such reflector elements are provided, depending on the size of the system and size of the pickup 2. The reflector segments 7 may be designed as a glass mirror, and the plate-shaped receptacle 2 may be as a tube heat exchanger with a pipe coil, not shown, within the plate body. The motors 11 are suitably formed by electric stepper motors, but theoretically conceivable are other types of motors, in particular also hydraulic motors.