<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.
<Desc / Clms Page number 1>
The present invention relates to a device for converting solar energy into heat.
Conventional flat collectors through which a heat transport fluid flows have the disadvantage that the degree of energy
EMI1.1
conversion into heat is not adjustable, but is always the same as the incident solar energy. This also means that it is not possible to take precautions against overheating in full sunlight. In addition, the current possibilities for increasing efficiency are reaching the limits of material technology, and due to the current low efficiency, flat-plate collectors have to be oversized in order to achieve acceptable results all year round. This is exacerbated by the fact that flat collectors can only be adapted to changed system conditions with unreasonable conversion work due to their fixed installation.
The invention aims to avoid these disadvantages and to provide a device for converting solar energy into heat, which is characterized by a high efficiency,
EMI1.2
drive requirements. This aim is achieved according to the invention in that the device has a parabolic or cylindrical-parabolic reflector, in the focal point or
Focal line an absorber is arranged, which is connected via an inlet pipe and a return pipe for a heat transfer fluid to a heat consumer, the
<Desc / Clms Page number 2>
Reflector articulated on a device base and adjustable by servomotors, which are controlled by a measuring and control unit, which, depending on a measurement of the absorber temperature and / or a 4-quadrant measurement of the incidence of sunlight, tracks the reflector axially parallel to the sun's radiation axis.
By focusing the solar radiation in the reflector
EMI2.1
an increase in the energy density at the absorber location is achieved, so that the absorber can have a significantly reduced size and mass compared to those of the known systems, and the energy conversion can thereby take place much more quickly. At the same time, the possibility is opened of being able to set the degree of implementation of the device as desired by specifically choosing a specific misalignment of the reflector. If the solar radiation is too strong, the reflector can be rotated out of the sun axis in order to avoid overheating of the absorber and the connected heat consumer, for example a storage device or heat exchanger.
The focussing effect of the reflector principle also has the advantage that the irradiation area (reflector area) is considerably larger than the radiation area (absorber area), so that the radiation is minimized, which ensures high efficiency even at the lowest ambient temperatures.
The automatic tracking of the reflector to the sun's radiation axis ensures optimum efficiency regardless of the current position of the sun, i. H. from sunrise to sunset. Due to the reflector principle according to the invention, the device can be replaced simply by exchanging the reflector.
<Desc / Clms Page number 3>
tors to be adapted to different operating requirements. Smaller adjustments can be made simply by programming the measuring and control unit accordingly.
Finally, the construction is characterized by a small footprint, low weight and quick assembly; For example, the conversion of 940 W requires a reflector diameter of only 1100 mm and has a mass of the entire device
EMI3.1
only about 50 kg, which also facilitates assembly and commissioning.
A particularly advantageous embodiment of the invention is characterized in that the reflector is articulated on the device foot via a universal joint. As a result, the reflector, when it is in an inclined position, can be guided in an endless rotary movement about the vertical axis of the device base without an actual rotation of the reflector itself being required, which would considerably complicate the connection of the inlet and return pipes. This is particularly important for use within the Arctic Circle.
An embodiment of the device which is particularly simple in terms of production technology and is not susceptible to malfunction in operation preferably consists in the fact that the servomotors are formed by two linear drives, the first linear drive acting between the device foot and the heart of the universal joint and the second linear drive between the heart and that connected to the reflector Part of the universal joint acts.
In any case, it is particularly favorable if the absorber is supported by the inlet pipe and the return pipe. Thereby
<Desc / Clms Page number 4>
there is no need for a separate support arm for the absorber, so that the shadow area on the reflector is minimized.
It is particularly advantageous if the return pipe is guided coaxially in the interior of the feed pipe. As a result, the return is thermally insulated from the outside environment, u. between the inlet itself, and on the other hand, the shadow area generated by the pipes on the reflector is reduced by 50%.
Another preferred embodiment of the invention is that the inlet pipe and the return pipe pass through the reflector at the Or-c of its articulation, so that a 1-point support of the reflector and the absorber on the device base is created, which simplifies the assembly. In this case, it is particularly advantageous if the inlet pipe and the return pipe pass through a central opening of the reflector, the clear width of which allows the absorber to pass and which is covered by a holding disc which has an edge recess for the passage of the inlet pipe and the return pipe, and is releasably attached to a holding head of the universal joint, the reflector being fixed with its area surrounding the opening between the holding disk and the holding head.
As a result, the reflector can be replaced in a simple manner, without having to remove or open components of the heat transport fluid circuit, such as absorbers and inlet and return pipes.
As already mentioned, the construction according to the invention opens up the possibility of adjusting the degree of conversion of solar energy, in particular to avoid overheating the absorber. A particularly preferred embodiment of the invention
<Desc / Clms Page number 5>
Therefore, it is characterized by the fact that the measuring and control device pivots the reflector out of the sun's radiation axis when the absorber temperature exceeds a preselected threshold value, so that this protective function occurs automatically.
In addition, it is particularly advantageous if a shut-off device controlled by the measuring and control device is arranged downstream of the return pipe, and the measuring and control device only releases the shut-off device when the absorber temperature and / or the incidence of sunlight exceeds a preselected threshold value. This ensures that no heat energy is extracted from the heat consumer, for example a storage device or heat exchanger, during the heating-up time of the line system.
In any case, it is particularly advantageous if, in accordance with a further feature of the invention, the measuring and control device controls the reflector for movement into a rest and / or protective position in the absence of sunlight.
The invention is explained below with reference to an embodiment shown in the drawings. In the drawings, FIG. 1 shows the device in a front view and FIG. 2 in a side view, the reflector being shown only schematically and partially, and the control components, the heat consumer and the connecting lines are not shown.
EMI5.1
Figures includes solar energy in heat, a parabolic reflector 1, which is articulated via a universal joint 2 to a device base 3, which is intended for mounting on the floor, on a wall or the like.
<Desc / Clms Page number 6>
In the focal point of the reflector 1, an absorber 4 is arranged, through which a heat transfer fluid flows, which flows through an inlet pipe 5 and a return pipe (not shown) arranged coaxially therein between the absorber 4 and a (also not shown) heat consumer, such as a heat accumulator or heat exchanger, circulates.
The inlet pipe 5 with the return pipe contained therein alone holds the absorber 4 in the focal point and passes through a central opening of the reflector 1, the clear width of which allows the absorber 4 to pass if the reflector is to be detached from its anchoring at the universal joint 2 and, for example, to be replaced. The central opening is covered by means of a holding disk 6, which has a corresponding (not shown) edge recess for the passage of the inlet pipe 5 with the outlet pipe contained therein, so that the holding disk can be plugged onto or removed from the inlet pipe in the radial direction.
The holding disc 6 is detachably fastened to a holding head 7 of the universal joint 2 with the aid of screw bolts, so that the reflector 1 with its area surrounding the opening is fixed between the holding disc 6 and the holding head 7.
The reflector 1 is driven by two servomotors formed by electric linear drives. The first linear drive 8 is articulated on the device foot 3 and engages a lever 9 which is attached to the heart 10 of the universal joint 2. The two linear drive 11 is articulated on a cantilevered arm 12 of the frog 10 and engages a lever 13 which is attached to the holding head 7.
<Desc / Clms Page number 7>
A measuring and control unit (not shown) controls the linear drives 8 and 11 as a function of a measurement of the temperature of the absorber 4 and a measurement of the incidence of light, which is obtained from a corresponding photosensor system with 4-quadrant measurement. In normal operation, the measuring and control unit tracks the reflector 1 parallel to the axis of sunlight. If the absorber temperature
EMI7.1
However, if a preselected threshold value is exceeded, the measuring and control device pivots the reflector 1 by a predetermined angle out of the axis of sunlight, so that the temperature in the absorber 4 is limited.
In the absence of sunlight, the reflector 1 is moved to a rest position, for example to save electricity, and / or a bad weather protection position, e.g. B. to let rainwater run off.
In addition, a shut-off device (also not shown) is provided between the return pipe 5 and the heat consumer (not shown), which is released by the measuring and control device when the absorber temperature and / or the incidence of sunlight exceeds a preselected threshold value. This ensures that energy is never withdrawn from the heat consumer, for example a heat store.
In particular, an analog computing unit can be used as the measuring and control unit, to which the measured values of the 4-quadrant photosensor system and the absorber temperature sensor are fed and which in turn controls a short-circuit-proof 4-quadrant output stage for actuating the linear drives 8, 11. In addition, a multi-channel serial
<Desc / Clms Page number 8>
log / digital converter for providing the measurement data in digital form at a data acquisition interface for further processing.
It is understood that the invention is not limited to the exemplary embodiment shown. For example, a cylindrical-parabolic reflector could also be used instead of a parabolic reflector, the solar energy then being focused in a focal line instead of a focal point and the absorber accordingly being elongated.