CH700267A1

CH700267A1 - Solarkollektor und Vorrichtung zum Speichern von Wärme.

Info

Publication number: CH700267A1
Application number: CH00086/09A
Authority: CH
Inventors: Gordon Bitter
Original assignee: Gordon Bitter
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2010-07-30

Abstract

Ein Solarkollektor mit einer Platte und einem Aufnahmerahmen (5), welcher mit strahlenfokussierenden Vorrichtungen wie Linsen oder Paneelen versehen ist und diese Vorrichtungen die Lichtenergie auf eine darunterliegende Absorbereinheit strahlenfokussiert übertragen. Der erfindungsgemässe Solarkollektor zeichnet sich weiter dadurch aus, dass der Abstand zwischen Linse und der Absorbereinheit verstellbar ist sowie auf der Unterseite mit einem Reflektor versehen ist. Weiter ist der Solarkollektor mit einem Lichtsensor (17) und Stellmotoren (15, 16) versehen, sodass der Solarkollektor exakt der Sonne nach gefahren werden kann.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft einen Solarkollektor sowie eine Vorrichtung zum Speichern von Wärme gemäss dem unabhängigen Hauptanspruch 1 und den abhängigen Ansprüchen.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ausführungen von Solarkollektoren wie auch Vorrichtungen zum Speichern von Wärme bekannt.

[0003] In einer einfachen Ausführung besteht ein Solarkollektor aus einem Gehäuse mit einer lichtdurchlässigen Platte auf der oberen Seite, welche der Sonne zugeneigt ist. Im Innern des gut isolierten Gehäuses sind Register von Rohren oder Platten (Wärmetauscher 1) angeordnet, welche in der Regel mit einem flüssigen Medium beaufschlagt werden. Bei Sonneneinfall bewirkt eine solche Anordnung, dass sich das Innere des Gehäuses bzw. die Luft im Gehäuse erwärmt und diese Energie über den Wärmetauscher 1 mittels dem flüssigen Medium abgeführt und mit Hilfe eines weiteren Wärmetauschers (Wärmetauscher 2) in einem Wärmespeicher abgegeben werden kann.

[0004] US 3 991 741 zeigt einen so genannten Dachkollektor. Dieser Kollektor besteht aus lamellenförmig angeordneten, transparenten Elementen. Darunter sind parallel verlaufende Röhren angeordnet, welche als Wärmetauscher bzw. Absorber dienen und die die sich im oberen Teil der Anordnung ansammelnde Wärme wegtransportieren.

[0005] Zur Erhöhung des Wirkungsgrades wird in dieser Erfindung auch die Verwendung von lamellenförmigen Fresnellinsen vorgeschlagen, wodurch die Energie besser auf den Absorber konzentriert werden kann und sich somit der Wirkungsgrad dieser Vorrichtung erhöht.

[0006] Nachteilig an diesem System erweist sich insbesondere die Tatsache, dass sich einigermassen gute Wirkungsgrade nur dann erzielen lassen, wenn die Vorrichtung exakt in West/Ost-Richtung ausgerichtet ist und die Sonne senkrecht zu den Lamellen steht. Als nachteilig erweist sich auch das exakte Anordnen der Lamellen, sodass diese sich bei intensiver Erwärmung behinderungsfrei ausdehnen können und trotzdem regenwasserdicht sind.

[0007] Aus dem Stand der Technik sind weitere Vorrichtungen bekannt, welche mittels eines Parabolspiegels oder ähnlich wirkender Vorrichtungen die Sonnenstrahlen konzentriert auf den Absorber lenken. Als Beispiele solcher Vorrichtungen seien DE 10 335 214, DE 10 358 327 und US 4 289 118 erwähnt.

[0008] In WO 2006 120 475 ist eine Vorrichtung mit muldenförmigen Kollektormodulen beschrieben, welche oben mit symmetrischen Fresnellinsen bestückt ist. Diese Kollektormodule sind einerseits einzeln drehbar ausgeführt und andererseits ist der Rahmen, in welchem die Kollektormodule befestigt sind, ebenfalls in einer weiteren Ebene drehbar, so dass die Kollektormodule der Sonne nachgefahren werden können.

[0009] Die aus dem Stand der Technik bekannten Solarkollektoren erweisen sich insbesondere im Hinblick auf die traditionelle Energieübertragung Luft/flüssiges Medium als nachteilig, da die physikalischen Wärmeübergangseigenschaften von Luft sehr schlecht sind. Luft eignet sich grundsätzlich als Isolationsmedium und nicht zur effizienten Wärmeübertragung. Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen erweist sich auch die Tatsache, dass sich diese für den Ausseneinsatz mit Beaufschlagung von Regenwasser und/oder Laub schlecht eignen. Zuverlässig funktionierende Solarkollektoren lassen sich nur mittels verhältnismässig aufwändigen Zusatzeinrichtungen realisieren. Dies ist wohl einer der wesentlichen Gründe, weshalb in der praktischen Anwendung hauptsächlich die klassischen Flachkollektoren Anwendung finden.

[0010] Ein weiterer Nachteil der bekannten Solarkollektoren besteht darin, dass diese nur geringe Speicherkapazitäten aufweisen, sodass insbesondere bei wechselhaftem Wetter verhältnismässig schnell hohe Temparaturspitzen resultieren, welche regelungstechnisch schwierig zu handhaben sind und auch zu grossen Materialbeanspruchungen/spannungen führen.

[0011] Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Solarkollektor zu beschreiben, welcher über optimale wärmetechnische Eigenschaften verfügt und trotzdem einfach herzustellen ist und überdies bei allen Witterungsverhältnissen einsetzbar ist. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, möglichst geringe Temperaturgradienten am Solarkollektor zu realisieren und (optional) den Solarkollektor auch als direkten Energiespeicher einzusetzen.

[0012] Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, indem die einfallende Lichtenergie mittels Linsen fokussiert und gezielt auf bestimmte Stellen der Absorbereinheit geleitet werden. Dank der gezielten Fokussierung der einfallenden Strahlung verfügt der Solarkollektor über ausgezeichnete Wärmeübertragungseigenschaften.

[0013] Mittels eines im Solarkollektor integrierten Wärmespeichers werden Temparaturspitzen gebrochen und es wird ein gleichmässiger Energiefluss ermöglicht, was sich sehr positiv im Betrieb des Solarkollektors auswirkt.

[0014] Zur weiteren Optimierung der Wärmeleistung ist der Kollektor mit einem intelligenten Regelungssystem ausgerüstet, welches gewährleistet, dass der Solarkollektor sich ständig nach dem aktuellen Sonnenstand ausrichtet.

[0015] Die Absorbereinheit ist oben mit einer Abdeckplatte versehen und die beiden Einheiten bilden zusammen mit dem Aufnahmerahmen die wichtigsten mechanischen Bauteile des erfindungsgemässen Solarkollektors.

[0016] Die von oben einfallende Solarenergie wird durch Linsen gebündelt und fokussiert auf die darunter liegende Absorbereinheit.

[0017] Die Absorbereinheit besteht in einer einfachen Ausführungsform aus einem maänderförmig geführten Rohr, weiches mit einem auf die spezifischen wärmetechnischen Anforderungen angepassten Medium (z.B. Wasser) beaufschlagt werden. Die Linsen werden so angeordnet und sind so bemessen, dass der gebündelte Strahl direkt auf das Rohr auftrifft und es so zu einer direkten Wärmeübertragung auf das Rohr kommt. Je nach den konkreten Umständen können noch bessere Leistungen erzielt werden, wenn das maänderförmig geführte Rohr wärmetechnisch fest mit Zwischenplatten verbunden ist, sodass auch noch allfällige Streuenergie sowie die Energie der im Solarkollektor enthaltenen erhitzten Luft optimal genutzt werden kann.

[0018] Anstelle von mehreren runden Linsen eignet sich auch die Verwendung von so genannten Linsenpanelen, welche aus einer oder mehreren Einheiten bestehen und vorzugsweise quer- oder längsverlaufend über der Absorbereinheit angeordnet werden.

[0019] Zur Verbesserung der Absorption kann die Absorbereinheit behandelt und/oder beschichtet werden, womit sich die wärmetechnischen Eigenschaften gezielt beeinflussen lassen. Als geeignet erweisen sich in diesem Zusammenhang die herkömmlichen Beschichtungen (sog. Schwarznickel und Schwarzchrombeschichtungen, etc.). Bewährt haben sich in diesem Zusammenhang jedoch auch sandförmige Beschichtungen bzw. Materialien, welche zu einem Grossteil aus Sand bestehen.

[0020] Nicht nur als Beschichtung eignet sich Sand besonderes, sondern auch für die Wärmespeicherung und eine Glättung der verschiedenen in Solarkollektoren üblicherweise auftretenden Temperaturspitzen. Zu diesem Zweck kann die erfindungsgemässe Vorrichtung mit speziell dafür behandelten Sand gefüllt werden, sodass die medienführenden Rohre teilweise oder ganz mit Sand umgeben sind. Zur Verbesserung der Eigenschaften und auch zu Stabilisierung des Sandes kann dieser mit speziellen Klebern versehen werden.

[0021] Eine weitere Verbesserung der Wärmeleistung der Absorbereinheit kann ferner dadurch erreicht werden, indem unterhalb der Rohre Reflektoren (z.B. parabolförmig oder aber auch winkelförmig) angeordnet werden. Diese Reflektoren fokussieren einfallendes Licht und können - je nach Linse bzw. Linsenstellung - auch zur indirekten Beaufschlagung der Rohre mit Lichtenergie verwendet werden.

[0022] Eine Verbesserung der Wärmeleistung der Absorbereinheit lässt sich auch dadurch erzielen, indem alle Rohre mit einer dünnen, gut wärmeleitenden Platte verbunden werden und so sämtliche Energie, welche nicht direkt auf die Rohre übertragen wird, mittels dieser Platte indirekt übertragen wird.

[0023] Bei all diesen Varianten erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Rohr der Absorbereinheit an der entsprechenden Stelle mit einem gut wärmeabsorbierenden Material wie beispielsweise Sand bedeckt bzw. beschichtet ist.

[0024] Es zeigen schematisch und vereinfacht:
<tb>Fig. 1<sep>Eine Schnittdarstellung, eine Aufsicht sowie eine Seitenansicht der erfindungsgemässen Vorrichtung

<tb>Fig. 1a<sep>Eine Schnittdarstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung

<tb>Fig. 2<sep>Die Anordnung der erfindungsgemässen Vorrichtung mit dem Sockel in der Aufsicht

<tb>Fig. 3<sep>Die Anordnung der erfindungsgemässen Vorrichtung mit dem Sockel in der Seitenansicht

<tb>Fig. 4<sep>Die Anordnung der erfindungsgemässen Vorrichtung mit Linsenpanelen und parabolförmigen Reflektoren, perspektivisch

<tb>Fig. 4a<sep>Detaildarstellung der Linse mit Rohr und Reflektoren

<tb>Fig. 5<sep>Detaildarstellung der Linse oder Linsenpanellen mit Höhenverstellung

<tb>Fig. 6<sep>Anordnung der erfindungsgemässen Vorrichtung mit seitlich angeordneten Konvektoren an den Rohren

[0025] Fig. 1 zeigt die erfindungsgemässe Vorrichtung in der Seitenansicht, Aufsicht und in einer Schnittdarstellung. Ersichtlich ist eine Platte 1 zur Aufnahme von Linsen 2, welche das von oben einfallende Licht bündeln. Weiter ersichtlich ist eine unterhalb einer Absorbereinheit 6 angebrachte Isolierung 9 sowie eine Rückwand 7 des Solarkollektors. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Absorbereinheit 6 von einem Absorptionsmaterial 8 mit guten Wärme- und Absorptionseigenschaften teilweise oder vollständig umgeben. In einer einfachen Ausführungsform besteht dieses Absorptionsmaterial teilweise oder vollumfänglich aus Sand bzw. Natursteinmehl. Dieses Absorptionsmaterial 8 wird je nach technischen Anforderungen mit Zusatz- und oder Klebstoffen versetzt, sodass dieses Absorptionsmaterial 8 mechanisch wie auch wärmetechnisch fixiert ist.

[0026] In der Ansicht von oben ist die Absorbereinheit 6 mit einem maänderförmig angeordneten Rohr 6.1 zusammen mit einer Zwischenplatte 6.2 ersichtlich. Schematisch eingezeichnet sind auch die von oben einfallenden Wärmestrahlen. Das Rohr 6.1 wird mit einem Wärmeträgermedium wie beispielsweise Wasser beaufschlagt und dient zum Wärmetransport der über die Linsen 2 auf die Rohre 6.1 fokussierten Solarenergie. Ersichtlich sind in Fig. 1 ebenfalls die Anschlüsse 10 für das Wärmeträgermedium. Ein Aufnahmerahmen 5 dient der Aufnahme der verschiedenen beschriebenen Einzelteile des Solarkollektors.

[0027] Anstelle der schematisch gezeigten Linsen können auch andere bekannte Vorrichtungen mit licht- bzw. energiefokussierenden Eigenschaften verwendet werden (z.B. Paneelen, Fresnellinsen, etc.). Die Absorbereinheit 6 ist in Fig. 1 der Einfachheit halber vollflächig dargestellt, wobei andere Ausführungsformen, welche nur einen Teil der Rohre 6.1 umfassen, möglich sind.

[0028] Fig. 1a zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung, indem auch über den Rohren 6.1 eine Absorberplatte 8.1 angeordnet ist, welche die Wärme gleichmässig auf die Rohre 6.1 überträgt. Die Wärmeplatte 4 ist mit den Rohren 6.1 thermisch verbunden.

[0029] Fig. 2 zeigt die erfindungsgemässe Vorrichtung in der Aufsicht. Dargestellt ist der Solarkollektor mit einer Rahmenhalterung 11 sowie einem Sockel 14, welche zur Fixierung des Solarkollektors dient. Der Solarkollektor kann durch eine drehbar ausgeführte Verbindung Rahmenhalterung/Aufnahmerahmen 13 sowie durch eine weitere drehbare Verbindung 12 mehrdimensional bewegt und der Sonne nachgefahren werden. Die Stellgrösse für die Ermittlung des Sonnenstandes wird durch einen Lichtsensor 17 generiert, welcher schematisch in Fig. 3ersichtlich ist. Der Sockel 14 kann auf dem Dach, an einer Wand an einem Gerüst oder sonst wo befestigt werden. Die drehbaren Verbindungen (13 bzw. 12) sind schematisch und beispielhaft als Kugellager bzw. Bolzen mit Lager dargestellt.

[0030] Fig. 3 zeigt die erfindungsgemässe Vorrichtung in der Seitenansicht mit dem Sockel 14 zur Befestigung an einem Gebäudeteil oder anderen festen Vorrichtungen. Hervorgehoben sind insbesondere ein Stellmotor I 15 für horizontales Schwenken sowie ein Stellmotor II 16 für vertikales Schwenken, welche über den Lichtsensor 17 mit einer entsprechenden Steuer- und Regelvorrichtung angesteuert werden. Mit Hilfe dieser Anordnung lässt sich der Solarkollektor exakt nach dem jeweiligen Sonnenstand ausrichten, wobei in einer vorteilhaften Ausführungsform auf die über das Internet, Wetter- und Geostationen verfügbaren Signale zurück gegriffen wird.

[0031] Fig. 4 zeigt die erfindungsgemässe Vorrichtung mit paneelenförmig angeordneten Linsen 2 sowie Reflektoren 3 auf der Unterseite der Röhren 6.1. Vorzugsweise sind die Reflektoren parabolförmig ausgeführt. Je nach konkreter Ausführungsform erweisen sich auch andere Querschnittsformen (spitzer bis stumpfer Winkel, rund etc.) als vorteilhaft. Mit einer solchen Anordnung lässt sich der thermische Wirkungsgrad der Absorbereinheit weiter erhöhen, indem jeweils die auf zwei Linsenpanelen einfallende Lichtenergie auf das Rohr 6.1 konzentriert wird.

[0032] Die Ausbildung der Rückwand 7 in der Form von parabolförmigen Reflektoren 3 kann auch bei den heute bekannten und gebräuchlichen Kollektoren angewandt werden. Dadurch lässt sich der thermische Wirkungsgrad markant erhöhen.

[0033] Fig. 4a zeigt die erfindungsgemässe Vorrichtung in Detailansicht. Optimale Wirkungsgrade lassen sich dadurch erzielen, indem die Rohre 6.1 auf der dem Reflektor 3 zugeneigten Seite (d.h. um den Brennpunkt des Reflektors 3) beschichtet oder mit anderen bekannten Methoden behandelt sind, damit der Wärmeabsorptionsgrad möglichst hoch ausfällt.

[0034] Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform mit höhenverstellbaren Linsen 2 sowie mit der Wärmeplatte 4, welche mit den Rohren 6.1 thermisch fest verbunden ist. Schematisch angedeutet ist eine vorteilhafte Ausführungsform, indem bei ausgefahrenen Linsen 2 (Position 1) im Brennpunkt der Linsen 2 ein Streifen bzw. eine Kreis der Wärmeplatte 4 mit Sand oder anderen gut wärmeabsorbierenden Materialien 18 beschichtet ist. Um auch bei diffusem Licht noch Wärmeenergie gewinnen zu können, wird die Linse 2 in Position 2 gefahren und die Wärmeplatte 4 gleichmässig mit Energie beaufschlagt. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist die Wärmeplatte 4 mit gut wärmeabsorbierenden Materialien beschichtet, behandelt oder mit einer speziellen Oberflächenstruktur versehen.

[0035] Mit einer solchen Anordnung kann einerseits Energie gebündelt auf die Rohre 6.1 fokussiert werden anderseits führt die tiefer liegende Linse 2 dazu, dass sich die Energie nicht im Brennpunkt sammelt und dadurch die Wärmeplatte 4 teilweise oder ganz mit Energie beaufschlagt wird. Ein solche Anordnung erweist sich bei häufiger Bewölkung als vorteilhaft.

[0036] Fig. 6 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung mit an den Rohren 6.1 seitlich angeordneten Konvektoren 19. Diese Konvektoren 19 nehmen insbesondere jene Energie auf, welche durch allfällige Streuverluste oder Ungenauigkeiten der Linsen 2 nicht direkt auf das Rohr 6 fokussiert wird. Mit einer solchen Anordnung lässt wiederum der wärmetechnische Wirkungsgrad erhöhen. Ein solche Anordnung erweist sich analog der in Fig. 5 beschriebenen Anordnung bei häufiger Bewölkung als vorteilhaft.

[0037] In Fig. 5 wie auch in Fig. 6 ist auf den Rohren 6.1 bzw. auf der Wärmeplatte 4 schematisch gut wärme- bzw. energieabsorbierendes Material 18 wie beispielsweise Sand angedeutet. Auf diese Weise lässt sich der wärmetechnische Wirkungsgrad der Absorbereinheit gezielt weiter erhöhen. Vorstellbar sind zu diesem Zweck auch die Verwendung von anderen bekannten Materialien sowie Methoden wie Beschichtungen, Oberflächenstrukturen etc. für einen Teil der Rohre 6.1 bzw. Wärmeplatte 4 bzw. der Konvektoren 19.

Claims

1. Solarkollektor mit wenigstens einer Platte (1) und wenigstens einem einfassenden Aufnahmerahmen (5) dadurch gekennzeichnet, dass in der Platte (1) Linsen (2) eingelegt sind, welche die einfallende Sonnenenergie bündeln und diese fokussierte Sonnenenergie gezielt auf eine darunter liegende Absorbereinheit (6) übertragen wird.

2. Vorrichtung gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (1) aus einem wellenselektiven Material besteht.

3. Vorrichtung gemäss Patentanspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (2) symmetrisch auf der Platte (1) eingelegt sind und zur optimalen Ausnutzung der Fläche der Platte (1) unterschiedliche Grössen aufweisen.

4. Vorrichtung gemäss einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle von Linsen (2) auch andere sonnenenergiebündelnde Vorrichtungen verwendet werden.

5. Vorrichtung gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorbereinheit (6) in der einfachsten Ausführungsform aus einem maänderförmig geführten Rohr (6.1) besteht, welches mit einer Flüssigkeit beaufschlagt wird.

6. Vorrichtung gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorbereinheit (6) aus einem maänderförmig geführten Rohr (6.1) besteht, welches von einer Wärmeplatte (4) bzw. Zwischenplatte (6.2) umgeben ist.

7. Vorrichtung gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenplatte (6.1) bzw. die Wärmeplatte (4) wie auch das Rohr (6.1) aus gut wärmeleitenden Material besteht und diese miteinander wärmeleitend fest verbunden.

8. Vorrichtung gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorbereinheit (6) mit einem gut absorbierenden und/oder wärmespeichernden Material wie beispielsweise Sand beschichtet bzw. die Absorbereinheit (6) ganz oder teilweise mit einem gut wärmeabsorbierenden und/oder wärmespeichernden Absorptionsmaterial (8) wie beispielsweise Sand umgeben.

9. Vorrichtung gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmerahmen (5) auf der Seite mittels einer Verbindung (13) mit der Rahmenhalterung (11), welche über eine drehbare Verbindung (12) mit dem Sockel (14) verbunden ist und zweidimensional bewegt werden kann.

10. Vorrichtung gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter den Rohren (6.1) energiekonzentrierende Reflektoren (3) bzw. eine Zwischenplatte (6.2) angeordnet ist.

11. Vorrichtung gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (6.1) ganz oder teilweise mit einem gut wärmeabsorbierenden Material wie beispielsweise Sand bedeckt oder die Rohre (6.1) ganz- oder teilflächig mit diesem Material versehen sind.

12. Vorrichtung gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeplatte (4) bzw. Zwischenplatte (6.2) ganz oder teilweise mit einem gut wärmeabsorbierenden Material wie beispielsweise Sand bedeckt oder die Wärmeplatte (4) bzw. die Zwischen platte (6.2) ganz- oder teilflächig mit diesem Material versehen sind.

13. Vorrichtung gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (6.1) mit einer Wärmeplatte (4) ganz oder sektorenweise verbunden sind.

14. Vorrichtung gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (6.1) seitlich mit Konvektoren (19) versehen sind.

15. Vorrichtung gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle von Linsen (2) auch Paneelenlinsen eingesetzt werden.

16. Vorrichtung gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den paneelenförmig angeordneten Linsen (2) und den Rohren (6.1) variabel verstellbar ist.