<Desc/Clms Page number 1>
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme.
Herkömmliche, von einem Wärmetransportfluid durchströmte Flachkollektoren haben den Nachteil, dass der Grad der Energie-
EMI1.1
umsetzung in Wärme nicht einstellbar ist, sondern immer gleich der eingestrahlten Sonnenenergie ist. Dadurch ist es auch nicht möglich, Vorkehrungen gegen eine Überhitzung bei voller Sonneneinstrahlung zu treffen. Darüber hinaus stossen die derzeitigen Möglichkeiten der Wirkungsgraderhöhung an die Grenzen der Materialtechnologie, und wegen des derzeit niedrigen Wirkungsgrades müssen Flachkollektoranlagen überdimensioniert werden, um im Ganzjahresbetrieb annehmbare Ergebnisse zu erzielen. Dies wird auch durch den Umstand verschärft, dass Flachkollektoren auf Grund ihrer ortsfesten Installation nur mit unzumutbarem Umbauaufwand an geänderte Anlagenbedingungen angepasst werden können.
Die Erfindung setzt sich zum Ziel, diese Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme zu schaffen, welche sich durch einen hohen Wirkungsgrad,
EMI1.2
triebsanforderungen auszeichnet. Dieses Ziel wird gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass die Vorrichtung einen parabolischen oder zylindrisch-parabolischen Reflektor aufweist, in dessen Brennpunkt bzw.
Brennlinie ein Absorber angeordnet ist, der über ein Zulaufrohr und ein Rücklaufrohr für ein Wärmeträgerf : uid an einen Wärmeverbraucher angeschlossen ist, wobei der
<Desc/Clms Page number 2>
Reflektor an einem Gerätefuss gelenkig gelagert und durch Stellmotoren verstellbar ist, die von einer Mess- und Steuereinheit angesteuert sind, welche abhängig von einer Messung der Absorbertemperatur und/oder einer 4-Quadrantenmessung des Sonnenlichteinfalles den Reflektor achsparallel zur Sonneneinstrahlungsachse nachführt.
Durch die Fokussierung der Sonneneinstrahlung im Reflektor
EMI2.1
wird eine Erhöhung der Energiedichte am Absorberort erzielt, so dass der Absorber im Vergleich zu jenen der bekannten Anlagen eine wesentlich verringerte Grösse und Masse haben kann und dadurch die Energieumsetzung wesentlich rascher erfolgt. Gleichzeitig wird die Möglichkeit eröffnet, durch gezielte Wahl einer bestimmten Fehlausrichtung des Reflektors den Umsetzungsgrad der Vorrichtung beliebig einstellen zu können. Bei zu starker Sonneneinstrahlung kann der Reflektor aus der Sonnenachse gedreht werden, um eine Überhitzung des Absorbers und des angeschlossenen Wärmeverbrauchers, beispielsweise eines Speichers oder Wärmetauschers, zu vermeiden.
Die fokussierende Wirkung des Reflektorprinzips hat dar- über hinaus den Vorteil, dass die Einstrahlungsfläche (Reflektorfläche) wesentlich grösser ist als die Abstrahlungsfläche (Absorberfläche), so dass die Abstrahlung minimiert ist, was einen hohen Wirkungsgrad selbst bei niedrigsten Umgebungstemperaturen gewährleistet.
Die automatische Nachführung des Reflektors zur Sonneneinstrahlungsachse gewährleistet einen optimalen Wirkungsgrad unabhängig vom aktuellen Sonnenstand, d. h. vom Sonnenaufgang bis zum Sonnenuntergang. Durch das erfindungsgemässe Reflektorprinzip kann die Vorrichtung einfach durch Austauschen des Reflek-
<Desc/Clms Page number 3>
tors an unterschiedliche Betriebsanforderungen angepasst werden. Kleinere Anpassungen können einfach durch entsprechende Programmierung der Mess- und Steuereinheit vorgenommen werden.
Die Konstruktion zeichnet sich schliesslich durch geringen Platzbedarf, geringes Gewicht und rasche Montage aus ; beispielsweise erfordert die Umwandlung von 940 W einen Reflektordurchmesser von lediglich 1100 mm und hat eine Masse der gesamten Vorrich-
EMI3.1
tung von nur etwa 50 kg zur Folge, was auch die Montage und Inbetriebnahme erleichtert.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Reflektor über ein Kreuzgelenk am Gerätefuss angelenkt ist. Dadurch kann der Reflektor, wenn er sich in einer Schrägstellung befindet, in einer endlosen Drehbewegung um die Vertikalachse des Gerätefusses geführt werden, ohne dass eine tatsächliche Drehung des Reflektors selbst erforderlich wäre, welche den Anschluss der Zu- und Rücklaufrohre wesentlich verkomplizieren würde. Dies ist insbesondere für den Einsatz innerhalb der Polarkreise entscheidend.
Eine fertigungstechnisch besonders einfache und im Betrieb störungsunanfällige Ausführungsform der Vorrichtung besteht bevorzugt darin, dass die Stellmotoren durch zwei Linearantriebe gebildet sind, wobei der erste Linearantrieb zwischen dem Gerätefuss und dem Herzstück des Kreuzgelenkes wirkt und der zweite Linearantrieb zwischen dem Herzstück und dem mit dem Reflektor verbundenen Teil des Kreuzgelenkes wirkt.
In jedem Fall ist es besonders günstig, wenn der Absorber vom Zulaufrohr und vom Rücklaufrohr abgestützt is . Dadurch
<Desc/Clms Page number 4>
entfällt ein eigener Abstützarm für den Absorber, so dass die Schattenfläche auf dem Reflektor minimiert wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Rücklaufrohr koaxial im Inneren des Zulaufrohres geführt ist. Dadurch wird einerseits der Rücklauf thermisch von der Aussenumgebung isoliert, u. zw. durch den Zulauf selbst, und anderseits verringert sich die von den Rohren erzeugte Schattenfläche auf den Reflektor um 50 %.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das Zulaufrohr und das Rücklaufrohr den Reflektor am Or-c seiner Anlenkung durchsetzen, so dass eine 1-Punkt-Abstützung des Reflektors und des Absorbers am Gerätefuss geschaffen wird, welche die Montage vereinfacht. In diesem Fall ist es besonders günstig, wenn das Zulaufrohr und das Rücklaufrohr eine zentrale Öffnung des Reflektors durchsetzen, deren lichte Weite das Passieren des Absorbers gestattet und die mittels einer Haltescheibe abgedeckt ist, welche eine Randausnehmung für den Durchtritt des Zulaufrohres und des Rücklaufrohres aufweist und an einem Haltekopf des Kreuzgelenkes lösbar befestigt ist, wobei der Reflektor mit seinem die Öffnung umgebenden Bereich zwischen der Haltescheibe und dem Haltekopf festgelegt ist.
Dadurch kann der Reflektor auf einfache Weise ausgetauscht werden, ohne dass Komponenten des Wärmetransportfluidkreises, wie Absorber und Zu- und Rücklaufrohre, entfern- oder geöffnet werden müssten.
Wie bereits erwähnt, eröffnet die erfindungsgemässe Konstruktion die Möglichkeit, den Umsetzungsgrad der Sonnenenergie einzustellen, insbesondere um eine Überhitzung des Absorbers zu vermeiden. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfin-
<Desc/Clms Page number 5>
dung zeichnet sich daher dadurch aus, dass die Mess- und Steuereinrichtung den Reflektor aus der Sonneneinstrahlungsachse schwenkt, wenn die Absorbertemperatur einen vorgewählten Schwellwert überschreitet, so dass diese Schutzfunktion automatisch eintritt.
Darüber hinaus ist es besonders vorteilhaft, wenn dem Rücklaufrohr eine von der Mess- und Steuereinrichtung gesteuerte Absperreinrichtung nachgeordnet ist, und die Mess- und Steuereinrichtung die Absperreinrichtung erst freigibt, wenn die Absorbertemperatur und/oder der Sonnenlichteinfall einen vorgewählten Schwellwert überschreitet. Dadurch wird sichergestellt, dass während der Aufheizzeit des Leitungssystems keine Wärmeenergie aus dem Wärmeverbraucher, beispielsweise einem Speicher oder Wärmetauscher, entzogen wird.
In jedem Fall ist es besonders günstig, wenn gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung die Mess- und Steuereinrichtung bei fehlendem Sonnenlichteinfall den Reflektor zur Bewegung in eine Ruhe-und/oder Schutzstellung ansteuert.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt Fig. l die Vorrichtung in der Vorderansicht und Fig. 2 in der Seitenansicht, wobei der Reflektor jeweils nur schematisch und teilweise dargestellt ist und die Steuerungskomponenten, der Wärmeverbraucher sowie die Verbindungsleitungen nicht eingezeichnet sind.
EMI5.1
Figuren umfasstSonnenenergie in Wärme einen parabolischen Reflektor 1, der über ein Kreuzgelenk 2 an einem Gerätefuss 3 angelenkt ist, welcher zur Montage am Boden, an einer Wand od. dgl. bestimmt ist.
<Desc/Clms Page number 6>
Im Brennpunkt des Reflektors 1 ist ein Absorber 4 angeordnet, der von einem Wärmeträgerfluid durchströmt ist, welches über ein Zulaufrohr 5 und ein koaxial in diesem angeordnetes (nicht dargestelltes) Rücklaufrohr zwischen dem Absorber 4 und einem (ebenfalls nicht dargestellten) Wärmeverbraucher, wie einem Wärmespeicher oder Wärmetauscher, zirkuliert.
Das Zulaufrohr 5 mit dem darin enthaltenen Rücklaufrohr hält allein den Absorber 4 im Brennpunkt und durchsetzt eine zentrale Öffnung des Reflektors 1, deren lichte Weite das Passieren des Absorbers 4 gestattet, wenn der Reflektor von seiner Verankerung am Kreuzgelenk 2 gelöst und beispielsweise ausgetauscht werden soll. Die zentrale Öffnung ist mittels einer Haltescheibe 6 abgedeckt, welche eine entsprechende (nicht dargestellte) Randausnehmung für den Durchtritt des Zulaufrohres 5 mit dem darin enthaltenen Ablaufrohr aufweist, so dass die Haltescheibe in radialer Richtung auf das Zulaufrohr aufgesteckt bzw. von diesem abgezogen werden kann.
Die Haltescheibe 6 ist mit Hilfe von Schraubbolzen lösbar an einem Haltekopf 7 des Kreuzgelenkes 2 befestigt, so dass der Reflektor 1 mit seinem die Öffnung umgebenden Bereich zwischen der Haltescheibe 6 und dem Haltekopf 7 festgelegt ist.
Der Antrieb des Reflektors 1 erfolgt über zwei durch elektrische Linearantriebe gebildete Stellmotoren. Der erste Linearantrieb 8 ist am Gerätefuss 3 angelenkt und greift an einem Hebel 9 an, welcher am Herzstück 10 des Kreuzgelenkes 2 angesetzt ist. Der zweire Linearantrieb 11 ist an einem auskragenden Arm 12 des Herzstückes 10 angelenkt und greift an einem Hebel 13 an, welcher am Haltekopf 7 angesetzt ist.
<Desc/Clms Page number 7>
Eine nicht dargestellte Mess- und Steuereinheit steuert die Linearantriebe 8 und 11 abhängig von einer Messung der Temperatur des Absorbers 4 und einer Messung des Lichteinfalles, welche von einer entsprechenden Photosensorik mit 4-Quadrantenmessung erhalten wird. Im normalen Betrieb führt die Mess-und Steuereinheit den Reflektor 1 achsparallel zur Sonneneinstrahlungsachse nach. Wenn die Absorbertemperatur
EMI7.1
jedoch einen vorgewählten Schwellwert überschreitet, schwenkt die Mess- und Steuereinrichtung den Reflektor 1 um einen vorbestimmten Winkel aus der Sonneneinstrahlungsachse, so dass die Temperatur im Absorber 4 begrenzt wird.
Bei fehlendem Sonnenlichteinfall wird der Reflektor 1 zur Bewegung in eine Ruhestellung, beispielsweise zur Stromeinsparung, und/oder eine Schlechtwetterschutzstellung, z. B. um Regenwasser ablaufen zu lassen, angesteuert.
Darüber hinaus ist zwischen Rücklaufrohr 5 und (nicht dargestelltem) Wärmeverbraucher eine (ebenfalls nicht dargestellte) Absperreinrichtung vorgesehen, welche von der Mess- und Steuereinrichtung freigegeben wird, wenn die Absorbertemperatur und/oder der Sonnenlichteinfall einen vorgewählten Schwellwert überschreitet. Dadurch wird gewährleistet, dass dem Wärmeverbraucher, beispielsweise einem Wärmespeicher, in keinem Fall Energie entzogen wird.
Als Mess- und Steuereinheit kann insbesondere eine Analogrecheneinheit verwendet werden, der die Messwerte der 4-Quadranten-Photosensorik und des Absorbertemperatursensors zugeführt werden und die ihrerseits eine kurzschlusssichere 4-Quadrantenendstufe zur Ansteuerung der Linearantriebe 8,11 steuert. Zusätzlich kann ein mehrkanaliger serieller Ana-
<Desc/Clms Page number 8>
log/Digital-Wandler zur Bereitstellung der Messdaten in digitaler Form an einer Datenerfassungsschnittstelle für die weitere Verarbeitung vorgesehen werden.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Beispielsweise könnte anstelle eines parabolischen Reflektors auch ein zylindrisch-parabolischer Reflektor verwendet werden, wobei die Sonnenenergie dann in einer Brennlinie anstelle eines Brennpunktes fokussiert wird und der Absorber dementsprechend langgestreckt ausgebildet ist.