DE2536328B2

DE2536328B2 - Vorrichtung zum Sammeln von Sonnenstrahlen

Info

Publication number: DE2536328B2
Application number: DE2536328A
Authority: DE
Inventors: Irwin Robert Lutherville Barr, Md.
Original assignee: AAI Corp
Current assignee: Textron Systems Corp
Priority date: 1974-08-20
Filing date: 1975-08-12
Publication date: 1981-08-06
Also published as: AR213077A1; BR7505304A; DE2536328A1; FR2282608B1; CH604110A5; GB1506056A; CA1029586A; US3994435A; FR2282608A1; IL47932A; US4111360A; JPS5145336A; DE2536328C3; IL47932A0; JPS5530183B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Sammeln von Sonnenstrahlen, bestehend aus einem halbzylinderförmig ausgebildeten Reflektor und einem beweglichen, dem Einfallswinkel der Sonnenstrahlen folgenden Kollektor.

Eine Vorrichtung der angegebenen Art ist in der DE-PS 5 17 417 beschrieben, wobei die waagerechte Brennpunktlinie direkt senkrecht über dem Mittelpunkt und symmetrisch zu dem Reflektor vorliegt. Um kleine Veränderungen des Sonnenwinkels weg von der Senkrechten zu berücksichtigen, muß der Kollektor sowohl seitlich als auch senkrecht vermittels einer verwickelt aufgebauten mechanischen Anordnung bewegt werden. Hierbei kann nur eine sehr geringfügige Winkelbewegung der Sonne weg von der Senkrechten berücksichtigt werden, und es gibt keine Möglichkeit, das Ausmaß der jährlichen Veränderung des Sonnenwinkels relativ zu der Waagerechten zu berücksichtigen. Auch sind hier gewisse Kipp- oder Schwenkumorientierungen erforderlich, um z. B. größere Veränderungen des Sonnenwinkels während einiger Tage des Jahres zu berücksichtigen. Eine Vorrichtung der angegebenen Art hat in die Praxis keinen Eingang gefunden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Verrichtung der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß eine relativ einfache Anordnung geschaffen wird, die mit einem größtmöglichen Wirkungsgrad die zur Verfugung stehende Sonnenstrahlung sammelt
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in kennzeichnender Weise dadurch gelöst, daß der Reflektor mehrere, insbesondere zwei zusammenhängende Segmente mit unterschiedlichen Radien aufweist wobei der Radius des tiefer gelegenen Segmentes größer als der Radius des nächst höhergelegenen Segmentes ist

Der erfindungsgemäß erzielte Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, daß die Vorrichtung ganzjährig bei verschiedenen Breitengraden angewandt werden kann, wobei ausgezeichnete solare Konzentrationsfaktoren erreicht werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht eines Gebäudes mit einer Anordnung zum Sammeln von Sonnenstrahlen

2^ri gemäß der Erfindung,

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

V) wiedergegeben ist,

Fig.3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 nach der Fig. 2,

Fig.4 und 4A diagrammförmige Darstellungen der Arbeitsweise der Anordnung nach der F i g. 1 zu verschiedenen Zeitpunkten während des Jahres, wobei die Fig.4A ebenfalls verschiedene Winkel- und Dimensionsverhältnisse gemäß einer gegebenen bevorzugten Ausführungsform wiedergibt,
F i g. 5 in perspektivischer Ansicht ein herkömmliches

4» Sonnenlaufdiagramm, das die relativen Laufwege der Sonne im Himmelsgewölbe bezüglich der Ausführungsform nach der F i g. 1 und deren Horizont für eine Lage angenähert 40° N Breite wiedergibt,
F i g. 6 ein herkömmliches Sonnenlaufdiagramm, das den Lauf der Sonne in dem Himmelsgewölbe nach F i g. 4 so wiedergibt, wie es auf eine waagerechte Ebene projiziert ist, wobei der Horizont durch einen Kreis wiedergegeben wird, in dessen Mittelpunkt sich die Sonnenkollektoranordnung nach der F i g. 1 befindet.

» Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist ein Gebäude zur Wärmeausnutzung, wie ein Haus, Schule, Produktionsanlage usw., durch das Bezugszeichen 11 wiedergegeben und besitzt ein als Reflektor 21 ausgebildetes Dach mit gekrümmter Oberfläche und

·>·> kann ebenfalls eine oder mehrere weitere Dachabschnitte 31 jeder beliebigen Konfiguration aufweisen. Das Ausmaß des Dachreflektors 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 13/; 13e, 13£> Fenster 15 vorgesehen sein.

Der Reflektor 21 kann aus jedem geeigneten, die Sonnenstrahlen reflektierenden Material gefertigt sein, wie Metall, Glas, Kunststoff, und derartige Materialien können so gewählt werden, daß dieselben einen Teil,

einen Hauptteil oder die gesamte Baufestigkeit der Dachoberfläche aufnehmen oder dieselben können aus Materialien gefertigt sein, wie z. B. einem dünnen reflektierenden Oberzug aus einem die entsprechenden baulichen Belastungen aufnehmendem Substrat. Die gewünschte Krümmung des Reflektors 21 kann als eine glatte Kurve oder in Form von geraden oder gekrümmte Linien darstellenden Segmenten gebildet sein. So kann z. B. eine gekrümmte Metalldachoberfläche in einem kontinuierlichen Schwung oder in mehreren Kanälen ausgebildet sein oder es können verschiedene normalerweise geradlinige Kanäle aus Metall, Glas, Kunststoff usw. in einem geeigneten Verbindungsverhältnis dazu angewandt werden, die angestrebte, gesamtgekrümmte Oberfläche für den Reflektor 21 zu bilden. Das Dach kann ebenfalls lediglich teilweise in Teilen desselben oder als Ganzes reflektierend gestaltet werden, um so für eine natürliche Beleuchtung im Inneren des Gebäudes vermittels Sonnenlicht zu sorgen, das durch das Dach hindurchtritt In ähnlicher Weise kann der Abschnitt 31 des Daches ebenfalls Licht in das Innere des Gebäudes führen.

Der Reflektor 21 liegt gegenüber dem Süden und ist hierzu geneigt, so daß die gegenüberliegenden Enden direkt in Ost-West-Richtung orientiert sind, wie die F i g. 1,5 und 6 zeigen.

Der Reflektor 21 reflektiert und konzentriert die Sonnenenergie in eine Zone größtmöglichen Zusammenlaufens der Sonnenstrahlen, die ihre Lage als Funktion des Sonnenwinkels bezüglich der Horizonta- jo len verändert wie es anhand einer nord-südlich verlaufenden senkrechten Ebene gemessen wird, liie durch den Reflektor 21 verläuft. Ein Sonnenenergie-Kollektor 51 ist z. B. vermittels Schwenkarmen 45 beweglich für das Ausführen einer nach hinten und vorn v, gerichteten Bewegung in nord-südlicher Richtung über dem Reflektor 21 angeordnet siehe hierzu allgemein die F i g. 4 und 4A.

Die Schwenkai-me 45 werden längs einer waagerechten Ost-West-Linie geschwenkt, die sich unter, über w oder auf der Oberfläche des Reflektors 21 befinden kann, wobei allgemein lediglich kleine Unterschiedlichekeiten in den Wirkungsgrad der Anordnung aus Reflektor 21 und Kollektor 51 auftreten. Bei der wiedergegebenen Ausführungsform sind die Arme 45 an Schwenkträgern 49 angeordnet die unterhalb der Oberfläche des Dachreflektors 21 und auf einer Linie TR (siehe die Fig.4A) liegen, die eine Tangente zwischen den Bogensegmenten SR 1 und SR 2 bildet, die durch die zwei Radien R 1 und R 2 gebildet werden. Bei der wiedergegebenen Ausführungsform, wie allgemein gezeigt, beläuft sich das Verhältnis der sich unter der Reflektorsehnenlänge erstreckenden Fläche zu der wirksamen Kollektorfläche des Kollektors auf angenähert 9:1, wodurch eine größtmögliche Konzentration y, 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 e>o 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 aus Schwenkarmen 45 und Kollektor 51 kann zweckmäßigerweise ein Gegengewicht aufweisen, z. B. durch Vorsehen der Gegengewichte CW und sind zweckmäßigerweise an der Schwenkzone durch ein Drehrohr oder Welle 110 miteinander verbunden, um so eine zusätzliche Starrheit zu vermitteln.

Der Kollektor 51 kann in zweckmäßiger Weise 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 parallelen 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 Energieabsorptionsrohren 54 in Form schwarzer Körper so ausgerüstet daß diese nach unten gerichtet sind, um von dem Reflektor 21 reflektierten Sonnenstrahlen aufzufangen. Der Kollektor 51 ist vorzugsweise an der gegenüberliegenden Seite 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 Energieabsorptionsrohren 54 können 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 63, wie Weichgummi, vor.

Die Zuführungs- und Rückführungsleitungen 71, 73 für das Strömungsmittel können in geeigneter Weise an ein geeignetes Wärmeausnutzungssystem angeschlossen sein, wobei es sich um eine Wärmespeicherungsund Heizungsanordnung für das Gebäudeinnere und/ oder ein Kühlsystem, wie ein solches handeln kann, das nach dem Prinzip der Absorptionskühlung arbeitet. Wahlweise können auch Maschinen durch die Wärmeenergie betrieben werden, die auf das Strömungsmittel in dem Kollektor 51 übertragen wird, oder es kann andere Arbeit geleistet werden. Erfindungsgemäß können Temperaturen des Strömungsmittels, wie Wasser, bis zu 150⁰C oder darüber gebracht werden in Abhängigkeit von der Fließgeschwindigkeit des Strömungsmittels, der relativen Größen des Kollektors und Reflektors usw. Ein Erhitzen und eine Absorptionskühlung können sehr gut bei dieser Temperatur und auch unter dieser Temperatur für das durch den Kollektor 51 strömende Wärmeträgermedium L erzielt werden.

Als praktisches Beispiel kann ein flüssiges Wärmeträgermedium, wie Wasser, vermittels einer Pumpe 80 durch die Leitung 71, die Rohre 54 und die Leitung 81 zu einem Heißwasserspeichertank HST gepumpt werden, in dem die heiße Flüssigkeit gespeichert wird für ein sich anschließendes Erhitzen oder Kühlanwendung. Für ein Erwärmen des Inneren des Gebäudes 11 oder einer anderen entsprechenden Fläche kann ein herkömmliches Heißwasser-Erhitzungssystem angewandt werden, wobei z. B. eine Pumpe 82, Zwei- oder Dreiwegeventil 83, Leitung 84, Wärmeübertragungsschlange HTC, Gebläse F₁ weiteres Zwei- oder Dreiwegeventil, Leitung 88, Zwei- oder Dreiwegeventil 87 und Rückführungsleitung 86 vorliegen. Das Gebläse F kann Luft über die Wärmetauscherschlange HTC pumpen, wo die Luft erhitzt wird und sodann durch die Leitungen DO durch

das Gebäude 11 fließt und in herkömmlicher Weise durch die Leitungen DIzurückkehrt.

Zwecks Kühlen kann ein Absorptionskühler AC vorgesehen sein, wobei die heiße Flüssigkeit HL durch die Einheit vermittels der Pumpe P, durch das Ventil 83, -. Leitung 85, Ventil 87 und Rückführungsleitung 86 gepumpt wird. Das gekühlte Wasser wird durch den Kühler AC durch die Pumpe 90, durch den Kühlspeichertank CST und durch die Leitung 92 heraus, das Ventil 91, die Leitung 92 und sodann durch die :n Wärmetauscherschlange HTC und zurück durch die Leitung 93 zu dem Kühler AC, Leitung 94 und Kühlspeichertank CST gepumpt, wobei die Ventile so eingestellt sind, daß ein Fluß in den gekühlten Flüssigkeitsleitungen erfolgt und die Leitung 94 ·'■ verschlossen ist.

Die Schwenkarme 45 können um deren Achse durch eine geeignete umsteuerbare Antriebsordnung geschwenkt werden. Bei der gezeigten Ausführungsform dreht ein Motor M die Antriebsschneckenwelle 121 über ein Untersetzungsgetriebe GR, wobei der Motor Mund das Untersetzungsgetriebe GR und die Welle 121 schwenkbar als eine Einheit, siehe bei 125, an einer geeigneten Schwenkabstützung 127 schwenkbar angeordnet sind. Eine Mutter 123 steht im Gewindeeingriff r> mit der Antriebsschneckenwelle 121 und ist schwenkbar an einem Dreharm HOa befestigt, der seinerseits an einem Drehrohr 110 befestigt ist. Der Motor M kann in geeigneter Weise so angetrieben werden, daß die Anordnung aus dem Arm 45 und dem Kollektor 51 die «> verschiedenen angestrebten Winkellagen während der verschiedenen Tage des Jahres und der verschiedenen Stunden jedes Tages einnimmt, wie dies für den vorgesehenen Zweck geeignet ist. Gegebenenfalls kann eine hier nicht gezeigte Steueranordnung, die program- r, miert ist oder auf die entsprechenden Energiewerte anspricht, für die Steuerung des Antriebsmotors M angewandt werden.

Als spezielles Ausführungsbeispiel seien für Breitengrade von angenähert von 30 — 40° die folgenden Verhältnisse genannt, wobei Bezug genommen wird auf die Bezugszeichen und Bauelemente nach der F ι g. 4 A.

Radius R 1 des vorderen Bogenseg-

mentesSRl = 19,8 Einheiten 4<i

Radius R 2 des hinteren Bogenseg-

mentes SR 2 = 15,0 Einheiten

Winkel B. der durch die

tangentiale Radiuslinie TR

gemeinsam mit den Radien R 1 >o

und R 2 gebildet wird = 75°

Effektive Breite OVdes Kollektors 51 = 1.22 Einheiten Länge des Schwenkarms 45 = 7,2 Einheiten Winkel A gebildet durch die Sehnenlinie, die sich zwischen

den vorderen und hinteren

waagerechten Linien Λ'und Y

erstreckt = 20°

Länge 2 =3,4 Einheiten w>

Länge b = 9,4 Einheiten

Länge c =6 Einheiten

Länge / =135 Einheiten Längen = 0,45 Einheiten Bogensegment SR1 =4 Einheiten Bogensegment SR 2 = 6Ä Einheiten Kleinster Sonnenwinkel AWVS,

angestrebt für die Aufnahme des

Kollektors 51 = 18°

Größter Sonnenwinkel MXS, angestrebt für die Aufnahme durch den Kollektor 51 = 104°

Kleinster erforderlicher Winkel M/VCfür die Anordnung aus Kollektor 51 und Schwenkarmen 45 für die Aufnahme des größtmöglichen angestrebten Sonnenwinkels (von angenähten 104°) s 46"

Größter erforderlicher Winkel MXCfür die Anordnung aus Kollektor 51 und Schwenkarmen 45 für die Aufnahme des kleinstmöglichen Sonnenwinkels (von aneenähertl8°) ~ = 132°

Für normale praktische Zwecke kann die allgemeine angenäherte und angestrebte Winkellage der Anordnung aus Kollektor 51 und Arm 45 für einen gegebenen Sonnenwinkel dadurch bestimmt werden, daß der Winkel /R zwischen dem Arm 45 und der tangentialen Linie TR angenähert gleich dem Winkel IS gebildet wird, der sich zwischen den eintreffenden Sonnenstrahlen und der tangentialen Linie TR bildet. Gegebenenfalls kann jedoch eine genauere Bestimmung des Arms 45 für jeden Sonnenwinkel für einen gegebenen Reflektor 21 durchgeführt werden, entweder durch eine empirische Auftragung oder Computer- oder mathematische Analyse der zusammenlaufenden Linien längs der vorn-nach-hinten-Abmessung des Reflektors, wobei der Kollektor so angeordnet ist. daß bei den verschiedenen Sonnenwinkeln die größtmögliche Maximierung des Auffangens der reflektierten Sonnenenergie erzielt wird.

Zweckmäßigerweise sind die Bogensegmente SR 1 und SR 2 glatt miteinander an einem gemeinsamen Punkt der Tangente verbunden, und es erstreckt sich eine gemeinsame tangentiale Radiuslinie 77? durch die Mittelpunkte des Radius R IC und R2Cfür die zwei Radien R 1 und R 2. Wie weiter oben angegeben, bildet bezüglich einer beispielsweisen Ausführungsform für die Breitengrade 30—40° diese Linie TR einen Winkel von 75° mit der Waagerechten H, und ein derartiger Winkel ist angenähert dem mittäglichen Winkel zum Zeitpunkt der Sommersonnenwende der Sonne bei einem Breitengrad von 40°. Hierdurch ergibt sich eine Maximierung der Konzentration der Sonnenenergie oder der Verstärkungsfaktoren während der Sommerzeit und ein gewisses Ausmaß an Minimierung der Konzentration der Sonnenenergie oder der Verstärkungsfaktoren im Winter durch den Reflektor 21 und den Kollektor 51. Andere Winkel der Linie TR können in geeigneter Weise unter unterschiedlicher Berücksichtigung dieser Faktoren angewandt werden.

In der F i g. 4 sind verschiedene Zonen der reflektierten Sonnenenergie für die hier diskutierte Ausführungsform wiedergegeben. Die Zonen sind lediglich angenähert gezeigt und geben die mittäglichen Zeiten bei einem Breitengrad von angenähert 40⁰N für die Lage der Senne mittags wieder für jeweils die Wintersonnenwende, die Sommersonnenwende und die Tag- und Nachtgleiche bei Frühlings- und Herbstanfang. Es wurde gefunden, daß ein gutes Verhältnis der Energiekonzentration und Energiesammlung über die hauptsächlichen Sonnenbestrahhmgszerten jedes Tages des Jahres dadurch erhalten werden kann, daß ein schwenkbar angeordneter Kollektor angewandt wird.

wobei die Schwenklinie parallel zu den Mittelpunkten des Radius des Reflektors 21 verläuft, sowie zwei oder mehr Radien für zwei oder mehr Abschnitte des Dachreflektors 21 angewandt werden. Bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel finden in geeigneter Weise zwei Radien Anwendung und der kleinere Radius R 2 definiert das Bogensegment SR 2 der hinteren Reflektoroberfläche und der größere Radius R 1 definiert das Bogensegment SR 1 der Reflektoroberfläche, siehe die schematische Darstellung nach der Fig.4A. Unter erneuter Bezugnahme auf die Fig.4 sieht man, daß bei keinem Sonnenwinkel oder Refleklionszone der durch eine Mehrzahl an Radien gebildete Reflektor 21 eine einzige Brennpunktlinie bildet, sondern vielmehr werden verschiedene Zonen des Zusammenlaufens der \·> Sonnenstrahlen gebildet, und die Größe und örtiichkeil der Zonen des Zusammenlaufens der Strahlen verändern sich mit dem Sonnenwinkel, der sich seinerseits sowohl während eines Jahres als auch während jedes Tages verändert. In dieser Hinsicht zeigt eine Betrachtung des Verlaufes der Sonne für 4O⁰N Breite die Bedingungen, wie sie sich für das System innerhalb eines Jahres ergeben. Zur Sommersonnenwende führt beispielsweise der scheinbare Laufweg der Sonne zu einem Auf- und Untergehen der Sonne hinter dem 2^r> Reflektor 21 und der Laufweg der Sonne geht zu der vorderen Zone des Reflektors 21 bei etwa 8 Uhr, wobei ein Zenitwinkel von angenähert 75° um 12 Uhr vorliegt und kreuzt sich wiederum zu einer Zone hinter dem Reflektor 21 bei etwa 16 Uhr. Zur Wintersonnenwende befindet sich die Sonne den ganzen Tag über vor dem Reflektor 21, d. h. südlich hiervon, wenn auch die Sonne später aufgeht, d. h. etwa um 7,30 und später untergeht, d. h. etwa um 16,30, und die Sonne weist einen niedrigeren Zenitwinkel auf von etwa 27°, siehe die ii F i g. 4. Andererseits ergibt sich bezüglich der Tag- und Nachtgleiche bei Frühlings- und Herbstanfang, daß die Sonne um 6 Uhr an der Ost-West-Achsenlinie des Reflektors aufgeht und an der Ost-West-Achsenlinie des Reflektors um 18 Uhr untergeht, sowie die Sonne sich bis zu einem Zenitwinkel von etwa 50° um 12 Uhr erhebt. Mit Ausnahme der Tag- und Nachtgieiche bei Herbst- und Frühlingsanfang verändert sich an allen Tagen der Mittelpunkt der Zone des Reflektionsmaximums von dem Reflektor 21 über den Tag und a'> verändert sich an aufeinanderfolgenden Tagen, ausgehend von einer niedrigen vorderen Zone, zum Zeitpunkt der Sommersonnenwende zu einer niedrigen hinteren Reflektionszone zum Zeitpunkt der Wintersonnenwende. Diese Zonen sind in der F i g. 4 wiedergegeben und >o als tägliche Bewegungszonen für den Kollektor 51 und die zugeordneten Schwenkarme 45 bezeichne!. Bei der hier wiedergegebenen Ausführungsform für angenähert 40° N Breite erstreckt sich die erforderliche tägliche Bewegung der Anordnung aus Kollektor 51 und den Armen 45 zur Sommersonnenwende von etwa 46° bis 77° relativ zu 0° des Horizonts, wie es an der Nord-Süd-Seite des Reflektors gemessen wird, wodurch sich ein Gesamtwinkel der angestrebten Schwenkbewegung des Reflektors 51 von angenähert 31 ° ergibt, um so die wesentliche Sonnenbestrahlungszeit von etwa 730 bis 1630 Uhr aufzunehmen. Es würde eine geringere Reflektorbewegung für eine kürzere Zeitspanne der Energiesammlung erforderlich sein, und umgekehrt gilt das Gleiche. Für praktische Zwecke dürften die b5 gemachten Angaben eine gute Arbeitszeit zum Zeitpunkt der Sommersonnenwende darstellen. Anhand der Fi g. 4 ist ersichtlich, daß der Reflektor in der Lage ist. auch Sonnenwinkel im beschränkten Ausmaß hinter der 90° Senkrechten aufzunehmen, da die angegebene niedrige Zone der täglichen Bewegung zum Zeitpunkt der Sommersonnenwende sich auf angenähert 46° belauft und sich dann ergibt, wenn die Sonne bei etwa 7,30 bzw. 16,30 Uhr scheint, und dies ist, siehe die F i g. 6, in jedem Fall im wesentlichen hinter und an einer Seite des Reflektors 21. Natürlich muß auch der seitliche oder endständige Neigungswinkel berücksichtigt werden, und um die Sammlung der Sonnenenergie bei niedrigen Winkeln, wie sie in der Ost-West senkrechten Ebene gemessen werden, größtmöglich zu halten, sollte der Reflektor 21 und der Kollektor 51 zweckmäßigerweise über seine Länge relativ lang sein, und zwar insbesondere bezüglich der Entfernung des Kollektors 51 von dem Reflektor 21.

Bei der gezeigten Ausführungsform weist die Umhüllende der Wintersonnenwende ein Zentrum größten Zusammenlaufwinkels auf (und gleichzeitiger Winkel der Anordnung aus Arm 45 und Kollektor 51), der sich von etwa 123—132° verändert oder eine Veränderung über einen Winkel von angenähert 9° bezüglich einer Veränderung des Sonnenwinkels von angenähert 18 — 27° über die wesentliche Sonnenbestrahlungszeit von ungefähr 9 Uhr bis 15 Uhr zu diesem Zeitpunkt des Jahres erfährt.

Bei Annäherung an die Tag- und Nachtgleiche bei Frühlings- und Herbstanfang nehmen die täglichen erforderlichen Bewegungen für die Anordnung aus dem Arm 45 und dem Kollektor 51 ab bis zum Zeitpunkt der zwei entsprechenden Tag- und Nachtgleichen die Anordnung aus Arm 45 und dem Reflektor 51 keiner winkelförmigen Bewegung bedarf bei Aufgehen und Untergehen der Sonne längs der Ost-West-Orientierungslinie der Reflektorachsen und bildet einen konstanten Winkel über den gesamten Tag, wie es in einer Nord-Süd senkrechten Ebene gemessen wird, die sich durch den Reflektor 21 hin erstreckt.

Bei der wiedergegebenen Ausführungsform verändern sich die solaren Konzentrationsfaktoren oder Verstärkungsfaktoren in Abhängigkeit von dem Sonnenwinke! und dieser Konzentralions- oder Verstärkungsfaktor weist einen kleinstmöglichen Wert zum Zeitpunkt der Wintersonnenwende und einen größtmöglichen Wert mittags zum Zeitpunkt der Sommersonnenwende auf, wie dies anhand der F i g. 4 ersichtlich. Dieser größtmögliche Konzentrationsfaktor ist eine Funktion des Neigungswinkels der Sonne bezüglich der der Sehnenlinie, die sich zwischen den vorderen und hinteren Zonen X und Verstrecken, siehe die Fig.4A, und je kleiner der Neigungswinkel, um so kleiner ist der größtmögliche Konzentrations- oder Verstärkungsfaktor. Weiterhin ist der Konzentrationsoder Verstärkungsfaktor eine Funktion des Ausmaßes, mit dem die zusammenlaufenden Strahlen der reflektierten Sonnenenergie bei einem gegebenen Sonnenwinkel aufgefangen werden, und es ist somit zweckmäßig, diesen Faktor bei den verschiedenen Winkellagen der Sonne und der Anordnung aus dem Schwenkarm 45 und dem Kollektor 51 größtmöglich zu halten, insoweit dies praktisch und wirtschaftlich durchführbar ist

Es wurde gefunden, daß die Anordnung des Arms 45 an einer Schwenkachse benachbart zu der Oberfläche des Reflektors 21 oberhalb oder unter der Reflektoroberfläche und ein ausreichendes Auffangen der Sonnenenergie durch den Kollektor 51 erreicht werden kann. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die waagerechte Schwenklinie für den Tragarm 45 gering-

fügig unter der reflektierenden Oberfläche des Reflektors 21 angeordnet und befindet sich angenähert auf einer Verlängerung der tangentialen Radiuslinie 77?, die in die Bogensegmente SR 1 und SR 2 verläuft. Diese Annschwenkungslinie kann jedoch auch für eine gegebene Ausführungsform in anderer Weise angeordnet werden, so z. B. über oder an der Oberfläche des Reflektors 21 und kann woanders als an der tangentialen Radiuslinie TR liegen. Bei der speziellen gezeigten Ausführungsform, wo die Schwenklinie des Arms 45 unter dem Reflektor 21 liegt, können die Schwenkträger 49 gegebenenfalls in geeigneter Weise durch Deckenbalken oder dgl. getragen werden oder dieselben können innerhalb oder außerhalb des Gebäudes auf anderen geeigneten Traganordnungen, wie Pfosten oder dgl., zur Befestigung gebracht werden.

Bezüglich der hier beispielsweise gegebenen Abmessungen, siehe auch die Figuren hierzu, können Abwandlungen und Modifizierungen zur Ausführung gebracht werden. Dies betrifft auch die Zonen, wo die reflektierten Sonnenstrahlen zusammenlaufen an dem Kollektor 51.

Erneut unter Bezugnahme auf die F i g. 4 ergibt sich für die Mittagslage der Sonne zum Zeitpunkt der Wintersonnenwende angenähert 27° und einer Winkelstellung der Anordnung aus dem Arm 45 und dem Kollektor 51 von 132°, daß sich der Konzentrationsoder Verstärkungsfaktor auf angenähert 6 belaufen kann, während ein angestrebter hoher Konzentrationsoder Verstärkungsfaktor von angenähert 7 zum Zeitpunkt der Sommersonnenwende mittags und zum Zeitpunkt der Tag- und Nachtgleiche bei Frühlingsoder Herbstanfang mittags von angenähert 6,2 erreicht werden kann. Diese Werte der Konzentrationsfaktoren sind natürlich nur beispielsweise zu verstehen und können in Abhängigkeit von anderen Ausführungsformen unter Berücksichtigung entsprechender dimensionaler Verhältnisse Schwankungen unterworfen sein.

Das typische Ausführungsbeispiei, siehe insbesondere die F i g. 4A, für den Erfindungsgegenstand bezieht sich auf einen Breitengradbereich von angenähert 30° bis 40°. Weiterhin ist die Ausführungsform so angeordnet, daß die Konzentrationsfaktoren für das Sammeln der Sonnenenergie im Sommer größtmöglich sind und dies erfolgt in einem gewissen Ausmaß auf Kosten der Konzentrationsfaktoren für den Wimer, um so einen größtmöglichen Wärmeenergiebetrag für die Klimatisierung zur Verfugung zu haben (wobei es immer noch möglich ist, wenigstens den wesentlichen Anforderungen des Heizens im Verlaufe des Winters zu entsprechen). Bei kleineren Breitengraden von z. B. etwa 2G° bis 30°, wo der Sonnenwinkel während des Winters groß ist und wo das Einfangen der Sonnenenergie im Sommer für Klimazwecke von noch größerer Wichtigkeit ist. kann die gleiche Geometrie des Kollektors 51 des Arms 45 und des Reflektors 21 angewandt werden bezüglich der Länge und der Anordnung der Radien und der Schwenkpunkte mit der Ausnahme, daß der gesamte Reflektor, Schwenkarm und Kollektor um die Linie X in einen kleineren und geeigneteren Winkel der Sehnenlinie X-Y geschwenkt wird, wie es durch den gegebenen Breitengrad bestimmt wird. Die Verwendung der Anordnung bei größeren Breitengraden von z. B. etwa 40⁼ bis 50°, wo die Winterheizung wichtiger als die Sommerkühlung ist, bedingt allgemein das Anwenden der gleichen geomefrischen Konfiguration mit einem größeren Schwenkwinkel für die Sehnenlinie X- Yb\s zu einem Winkel von 40° in Abhängigkeit von dem speziellen Breitengrad.

Im Rahmen der Erfindung lassen sich Abwandlungen und Modifizierungen durchführen, und so kann z. B. der Reflektor 21 lediglich als ein Reflektor und nicht als ein Dach eines Gebäudes ausgebildet sein, wenn auch das letztere normalerweise die bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsform ist. Wenn auch die Anordnung aus dem Schwenkarm 45 bevorzugt dazu dient, den Kollektor 51 zu tragen und über die angestrebte Zone hin zu bewegen, können auch verschiedene andere Anordnungen hierfür herangezogen werden. Wenn auch hier zwei Radien R1 und R2 bei den hier angegebenen Ausführungsbeispielen in Anwendung

J5 kommen, insbesondere aufgrund der Einfachheit des Aufbaus und der Bauart, können auch mehr als zwei Radien zur Verwendung kommen, die sich von dem längsten an der vorderen Seite, z. B. dem dem Äquator gegenüberliegenden Teil bis zu dem kürzesten an der

•»ο hinteren Zone des Daches erstrecke:!, und dies kann praktisch vermittels eines Radius erreicht werden, der sich kontinuierlich von der Vorderseite bis zu der Rückseite des Kollektors 21 erstreckt. Ein derartig sich kontinuierlich verändernder Radius des Kollektors 21 mag jedoch für normale Bauarten zu verwickelt sein und vom praktischen Standpunkt aus dürfte die Ausführungsform mit dem doppelten Radius ausreichend sein.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Sammeln von Sonnenstrahlen, bestehend aus einem halbzylinderförmig ausgebildeten Reflektor und einem beweglichen, dem Einfallswinkel der Sonnenstrahlen folgenden Kollektor, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (21) mehrere, insbesondere zwei zusammenhängende Segmente (SR 1 und SR 2) mit unterschiedlichen Radien (Ri und R2) aufweist, wobei der Radius (R 1) des tiefer gelegenen Segmentes (SR 1) größer als der Radius (R 2) des nächst höhergelegenen Segmentes (SR 2) ist

Z Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (SR 1 und SR 2) an ihrer Übergangsstelle praktisch tangential verlaufen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da3 die sich zwischen der vorderen und hinteren Kante des Reflektors (21) erstreckende Sehne (XY) mit einem Winkel von etwa 10° bis 40° gegenüber der Waagerechten als Funktion der geographischen Breite geneigt ist, wobei der optimale Neigungswinkel mit der geographischen Breite zunimmt

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (51) schwenkbar über einen Teil der Bogenbreite des Reflektors (21) angeordnet ist

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachse für den Kollektor (51) benachbart zum Reflektor (21), und zwar unter oder über demselben oder in gleicher Höhe zu demselben vorgesehen ist

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (21) einen Teil des Daches bildet

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (51) zur Aufnahme der von dem Reflektor (21) reflektierten Strahlung nach unten offen und an der gegenüberliegenden Seite durch eine Wärmeisolation (52) wärmeisoliert ist.