SE509193C2 - Solfångare - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 509 195 Det är möjligt att uppnå en mycket hög koncentra- tionsgrad hos en solfångaranläggning, och därmed minimal storlek hos absorbatorn, om denna utförs med en automa- tisk solföljarmekanism som ser till att varje enskild solfångare riktas i den mest gynnsamma vinkeln mot solen.

Dylika automatiska solföljare är dock kostsamma och kräver mycket underhåll och har av denna anledning ej kommit till användning i någon större utsträckning.

Kort redogörelse för uppfinningen Det är ett huvudsyfte med föreliggande uppfinning att skapa en solfångare vilken dels är prisbillig att tillverka, dels uppvisar hög verkningsgrad utan använd- ning av någon automatisk solföljaranordning så att kost- naden per producerad energienhet blir låg. Ett ytter- ligare syfte är att absorbatorutbytet, dvs tillgodogjord energi per ytenhet absorbatoryta, skall vara så stort som möjligt. Vidare är det ett syfte att reflektorytan och absorbatorytan skall vara så små som möjligt i förhållan- de till rännans öppningsarea. Dessutom skall så stor del som möjligt av den under dygnet och året genom rännans öppning infallande solstrålningen, direkt eller indirekt träffa absorbatorn utan att reflekteras bort. Ett ytter- ligare syfte är att skapa en solfångare vid vilken för- lusterna från absorbatorn begränsas. Åtminstone dessa syften ernås medelst en solfångare enligt patentkravet 1.

Uppfinningen syftar även till en reflektorkonstruk- tion vilken uppvisar en högreflekterande inneryta, är prisbillig att framställa och är enkelt formbar till önskad form men som trots detta är oöm och beständig och förmår motstå yttre påverkan. För att minska antalet markförankringspunkter bör reflektorn även ha stor förmåga att bära sig själv och yttre laster av snö och vind i största möjliga längd. Åtminstone dessa syften uppnås medelst en solfångare enligt krav 4.

Den ursprungliga uppgiften som ligger till grund för uppfinningen är att skapa en solfångare som är särskilt fördelaktig för användning på nordliga och sydliga bredd- 10 15 20 25 30 35 3 509 193 grader, dvs på sådana platser där den maximala solhöjden även på sommaren är relativt låg. För solfångare som är placerade på sådana ställen är det speciellt viktigt att investeringskostnaderna är låga då det stora delar av vinterhalvåret ej är möjligt att tillgodogöra några nämnvärda mängder solenergi. Det är å andra sidan lika viktigt att solfàngaren har hög verkningsgrad och verkligen förmår att effektivt ta tillvara den solenergi som strålar in under sommarhalvåret. Nordliga och sydliga breddgrader innebär vidare att lufttemperaturen, i syn- nerhet under vår och höst, kan vara låg fast solinstrål- ningen är relativt hög och det gäller därför att så långt möjligt begränsa förlusterna från absorbatorn.

Solfångaren enligt uppfinningen är dimensionerad för att fånga upp så stor del som möjligt av den infallande solstrålningen upp till en viss acceptansvinkel eller gränsvinkel. Denna varierar beroende på platsens läge i nord-sydlig riktning och grundas på undersökningar av i vilka höjdvinklar huvuddelen av solstrålningen infaller under året. Det är ur effektivitetssynpunkt fördelaktigt att begränsa den vinkelsektor inom vilken solenergin tillgodogörs optimalt men ändå hålla den så stor att den totala mängden tillgodogjord energi under året blir så stor som möjligt. Det har t ex visat sig att den övre acceptansvinkeln för orter belägna vid 60° nordlig respektive sydlig bredd bör ligga mellan 60-70° eller företrädesvis omkring ca 65°. För varje grads ökning eller minskning av ortens läge i nord-sydlig bredd bör acceptansvinkeln minskas resp ökas ca en grad.

Solfångaren enligt uppfinningen är utförd med en reflektor vilkens reflekterande yta i tvärsnitt i området framför absorbatorn, dvs den del av solfàngaren som är avsedd att vändas mot söder, i huvudsak följer en parabolisk kurvform enligt det matematiska sambandet yz = 4px i ett ortogonalt koordinatsystem där x-axeln utgör parabelns symmetriaxel vilken är avsedd att riktas i den önskade gränsvinkeln i förhållande till horisontalplanet. 10 15 20 25 30 35 509 193 4 Absorbatorn sträcker sig mellan parabelns brännpunkt eller fokus F = (p,O) i det föredragna utförandet belägen vertikalt under bränn- och en punkt på reflektorn, punkten när symmetriaxeln intar gränsvinkeln mot horisontalen. De reflekterande egenskaperna hos en parabel är sådana att alla strålar som infaller parallellt med symmetriaxeln kommer att reflekteras till brännpunkten. Strálar som infaller i en mindre vinkel än x-axeln, dvs i det föredragna utförandet solstrålar som infaller mellan undre och övre gränsvinkeln, kommer att reflekteras mot en punkt under brännpunkten. Genom att utforma solfångaren enligt uppfinningen kommer alla sol- strålar som träffar det främre reflektorpartiet och som infaller mellan undre och övre gränsvinkeln, att reflek- teras mot absorbatorn.

Absorbatorn kan vara orienterad med sin bredd- utsträckning eller sitt huvudplan i många olika rikt- ningar. Det väsentliga är att en av absorbatorns längs- kanter är lokaliserad i eller nära brännpunkten och att densamma sträcker sig över väsentligen hela utrymmet mellan brännpunkten och den parabelformade reflektorn. Ur kostnadssynpunkt är det mest gynnsamt att rikta absorba- torn bakåt i riktning av x-axeln, Där är avståndet mellan parabeln och brännpunkten minst och absorbatorns dimen- sioner och därmed även värmeförlusterna kan minimeras. En nackdel med denna placering är dock att absorbatorn träffas av en mycket liten del direkt solstrålning. Den mesta strålningen reflekteras åtminstone en gång vilket genom reflektionsförluster minskar solfångarens effekti- vitet. I det föredragna utförandet är absorbatorn verti- kalt riktad. Detta ökar dess storlek något men ökar å andra sidan även andelen direkt solstrålning.

Det bakre partiet av reflektorn i området bakom absorbatorn, dvs väsentligen från den punkt på reflektorn som sammanfaller med eller är belägen nära intill absor- batorns ena längskant, utgör en delsektor med i huvudsak cirkelformat tvärsnitt. Cirkelns centrum sammanfaller lO 15 20 25 30 35 s 509 193 väsentligen med parabelns brännpunkt och absorbatorns breddutsträckning sammanfaller sålunda med en radie hos cirkelbågen. Denna utformning har till följd att all sol- strålning som passerar över absorbatorn och träffar cirkelsektorn, kommer att reflekteras mot absorbatorns baksida. Det bakre partiet skulle kunna ha någon annan lämplig krökt form men en cirkelsektor är ur material- besparande synpunkt den mest gynnsamma formen.

Högreflekterande reflektormaterial är i regel mycket kostsamt. I ett föredraget utförande av uppfinningen enligt patentkravet 4 är reflektorn bildad av en korru- gerad, företrädesvis trapetskorrugerad plåt vilken spänns in i ett stativ till önskad form och en högreflekterande folie, t ex anodiserad aluminiumfolie, fästs, genom t ex limning, mot den korrugerade plåtens àsar eller ryggar.

Härigenom kommer reflektorytan att vara sammansatt av en mängd plana reflektorfält. Om varje korrugering ej är alltför bred kommer överensstämmelsen med den teoretiska, ideala kurvformen att vara tillräckligt god för att sol- fångarens effektivitet ej skall påverkas i nämnvärd grad.

En dylik konstruktion har den fördelen att den är enkel och prisbillig samt stark och oöm och förmår skydda solfångaren mot slag och stötar. Det sistnämnda inte minst viktigt eftersom solfångaren i det föredragna ut- förandet ej är avsedd att förses med någon isolering eller ett skyddande hölje kring reflektorns utsida.

I ett utförande enligt patentkraven l-3 är solfån- garen, förutom det skyddande täckglaset, utförd med en genomskinlig folie som omger absorbatorn med ett avstånd från denna. Härigenom bildas ett värmeisolerande utrymme kring absorbatorn vilket förhindrar värmekonvektion och minskar därigenom värmeförlusterna från absorbatorn.

Det föredras att solfångaren används utan någon typ av solföljaranordning men för att ytterligare öka effek- tiviteten kan den lämpligen göras omställbar till ett sommar- resp vinterläge, varvid solfångaren i vinterläget 10 15 20 25 30 35 509 193 e tippas något framåt så att gränsvinkeln blir mindre och en lägre fiktiv solhöjd kan accepteras.

Enligt en föredragen tillämpning av uppfinningen skall de långa rännorna ställas upp på stora fält. Det är betydelsefullt ur kostnadssynpunkt att rännans längd mellan markförankringspunkterna blir längsta möjliga.

Olika material för rännan kan förekomma för att ge den maximal hållfasthet och formstabilitet. Glastäckningen skall utnyttjas för att ge kanterna på rännan rätt form, dvs räta linjer. Rännan med glaset utgör en kropp med stort tröghetsmoment när rätt material och rätt fastsättning av glaset väljs.

En utföringsform är att använda en korrugerad lång plåt som formas efter en yttre mall av trä, plast eller metall. En annan utföringsform är att gjuta rännan av armerad betong eller s.k. integralskum. I dessa utfö- ringsformer används en billig reflektor av skyddslackad eller anodiserad aluminiumfolie, eventuellt förstyvad med t ex papp eller plast. Ett annat utföringssätt är att låta en slät plåt av blankanodiserad aluminium eller en på stàlplàt limmad aluminumfolie utgöra reflektorn. Denna reflektor kan formas genom att fixera längskanterna i vissa vinklar, tex den norra kanten i ca 90° och den södra kanten i ca 45°, och sedan fixera den punkt där absorbatorn och reflektorn möts.

Plàtens bredd och dess elastiska egenskaper ger härvid en form som mycket nära överensstämmer med den önskade optiska formen. Det är även möjligt att framställa en hållbar och formstabil reflektor genom glasväv-armerad polyester där den inre ytan utgörs av en skyddslackerad aluminiumfolie.

Eftersom solfângaren avses att ställas upp på stora fält utan avstånd mellan rännorna, ingår det i upp- finningens utföringsform att varje ränna kan vändas till ett sådant läge att en person kan gå mellan raderna för att utföra inspektion och underhállsarbete, tex byte av sprucket glas eller tätning av läckage. 10 15 20 25 30 35 7 5Û9 193 Genom att vår och höst vrida solfàngaren ca 20°, kan vintertid när den höga fiktiva solhöjden (65°) inte kan utnyttjas, erhållas en bredare reflektor som fungerar effektivt mellan t ex 45 och 20°. Omställbarheten underlättas om två rännor paras ihop. Den större vinkeln på vintern underlättar snöavglidning. Den ger dessutom en möjlighet att endast använda den norra rännan i paruppställningar då den södra helt eller delvis är skuggad av den framförvarande. Dette ger en bättre verkningsgrad tack vare mindre förluster.

Förutom en absorbator av termisk typ genom vilken cirkulerar ett värmebärarmedium som ackumulerar solstrål- skulle det vara fullt möjligt att använda solceller i vilka solstrålningen omvandlas till ningens värmeenergi, elektrisk energi.

Kort beskrivning av tillhörande ritningar På ritningarna visas i FIG 1 en perspektivvy av en solfångare enligt uppfinningen, FIG 2 ett schematiskt tvärsnitt som visar reflektorns form och absorbatorns placering i ett före- draget utförande av uppfinning, FIG 3 ett schematiskt tvärsnitt som visar den närmare uppbyggnaden av solfàngaren enligt ett föredraget utförande, och FIG 4 ett schematiskt tvärsnitt av ett utförande med två vridbart upphängda och parkopplade solfångare.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföranden av uppfinningen Först hänvisas till fig 1 och 2 av vilka fig 1 är en perspektivvy och fig 2 ett schematiskt tvärsnitt genom ett föredraget utförande av en solfångare enligt uppfinningen. Denna innefattar en i tvärsnitt rännformad reflektor 1 vilkens uppåt vända öppning är täckt med en genomskinlig skiva 2 av t ex glas eller plast. En absorbator 3 är placerad i den glastäckta rännan. 10 l5 20 25 30 35 509 193 a Reflektorns insida uppvisar en högreflekterande yta vilken förmår reflektera infallande solstrålar mot absorbatorn för att på så sätt koncentrera solstrålningen utmed en axel parallellt med solfångarens längdutsträckning.

En enskild solfångarränna kan i praktiken ha en längd av 5-50 m och ställs företrädesvis med längdut- sträckningen i öst-västlig riktning med glaset lutande svagt nedåt mot söder på nordliga breddgrader.

I fig 2 framgår närmare den geometriska utformningen av reflektorn l och absorbatorns placering i förhållande till denna. Reflektorn uppvisar ett främre parti 4 vilket vid den föredragna placeringen av solfångaren är avsett att vara beläget mellan absorbatorn och solens förhär- skande läge, dvs på norra halvklotet i söderläge i förhållande till absorbatorn. Detta främre parti 4 följer en geometrisk kurva som utgör en delsektor av en parabel 2 = 4px i ett ortogo- enligt det matematiska sambandet y nalt koordinatsystem där x-axeln bildar parabelns symme- triaxel. En sådan parabel har en brännpunkt för strålar som infaller parallellt med symmeriaxeln i punkten F = (p,0>- axeln kommer således att reflekteras till brännpunkten Alla strålar som infaller parallellt med symmetri- medan strålar som infaller med lägre vinklar än symmetri- axeln kommer att reflekteras mot området under brännpunk- ten.

I enlighet med uppfinningen är absorbatorn 3 placerad så att dess ena längskant 5 är lokaliserad i eller nära parabelns brännpunkt och absorbatorn har en sådan breddutsträckning att den sträcker sig över väsent- ligen hela avståndet mellan brännpunkten och någon lämplig punkt på reflektorn. I det visade utförandet av solfångaren är symmetriaxeln vinklad ca 65° i förhållande till horisontalplanet. Vidare är absorbatorn lokaliserad väsentligen vertikalt med sin övre längskant 5 utmed den axel som utgör parabelns brännpunkt i varje tvärsnitt. 10 15 20 25 30 35 9 509 193 I området bakom absorbatorn uppvisar reflektorn ett bakre parti 6 vilket kan ha någon godtyckligt krökt form som förmår reflektera ned de solstrålar som infaller ovanför absorbatorn. I det föredragna utförandet av upp- finningen innefattar det bakre partiet 6 en delsektor 6' av en cirkel vilkens centrum sammanfaller med parabelns brännpunkt. Härigenom kommer alla solstrålar som passerar över absorbatorn och träffar det bakre partiet av reflektorn att reflekteras ned mot absorbatorns baksida.

Det bakre, krökta partiet 6 skulle i praktiken kunna sträcka sig hela vägen ut till reflektorns bakre längs- kant. I det föredragna utförandet är dock det bakre partiet närmast glasskivan utformat såsom ett plant parti 6” vilket sträcker sig i en vinkel av ca 45° mot horison- talplanet. Solstrålar som träffar detta plana parti kommer att reflekteras ned mot den cirkulära sektorn 6' för att från denna reflekteras mot absorbatorns baksida.

Den ovan beskrivna utformningen av solfångaren får till följd att all solstrålning som infaller genom reflektorrännans öppning i en vinkel mindre än acceptans- vinkeln, dvs vinkeln mellan parabelns symmetriaxel och undre acceptansvinkeln, kommer att direkt eller indirekt träffa någon av absorbatorns fram- eller baksidor.

Nu hänvisas även till fig 3 vari visas ett utförande av föreliggande uppfinning vid vilket solfångarens reflektor är utformad av material och på ett sådant sätt att den blir mycket prisbillig och beständig. Såsom framgår av figuren är reflektorn uppbyggd av en trapets- korrugerad plåt 8 vilken spänts in i en allmänt med 9 betecknad bärande stomme för att erhålla reflektorns önskade huvudform, och på vilkens insida har fästs en högreflekterande, tunn folie 10, exempelvis aluminium- folie, vilken fästs på den korrugerade plåtens 8 inåt- vända ryggar eller àsar och är fritt spända över plåtens dalar. Den reflekterande ytan kommer därigenom att vara sammansatt av en mängd plana reflektorytor vilka samman- taget ger reflektorn en form som i huvudsak överensstäm- lO 15 20 25 30 35 509 195 10 mer med den ideala, eftersträvade formen enligt upp- finningen. Med tillräckligt många och tättsittande åsar och dalar kommer reflektorns form att väl överensstämma med den ideala för att förluster, i form av solstrålning som reflekteras ut från reflektorn utan att träffa absor- batorn, skall kunna hållas på en låg nivå.

En reflektor uppbyggd på detta sätt har den ytter- ligare fördelen att den blir mycket robust och beständig.

Den lämpar sig således mycket väl för en solfångare som, i enlighet med det föredragna utförandet, saknar omgivan- de isolering och ett skyddande hölje kring reflektorn.

För att minska förlusterna från absorbatorn är solfàngaren i fig 3 utförd med en tunn och genomskinklig film ll, företrädesvis teflonfilm, vilken omger absorba- torn. Härigenom begränsas främst förluster till följd av konvektion mellan den av solstrålning värmda absorbatorn och omgivande kallare plåt- resp glasytor. Upphängningen av teflonfilmen ll kan ske på många sätt men har enligt det visade utförandet åstadkommits genom att filmen är lagd över en spiralfjäder 12 som på något ej närmare visat sätt bärs på avstånd över absorbatorns övre kant.

Teflonfilmen ll är lagd över fjädern 12 och hålls på plats och på avstånd från absorbatorn genom distanshàl- lande och nedtyngande plåtelement 13 fästa i filmens vardera längskant. Genom en sådan konstruktion hålls filmen spänd och på avsett avstånd från absorbatorn trots eventuella temperaturrörelser i absorbatorn och reflek- torn.

Nu hänvisas till fig 4 vilken visar ett ytterligare, föredraget utförande av uppfinningen vid vilket två par- monterade solfångare enligt uppfinningen bärs i en gemen- sam, vridbar stomme. Tanken är att en dylik solfångar- konstruktion skall ingå i ett stort solfångarfält där väsentligen all markyta är täckt av solfångare. Då det behövs göras service eller reparation av solfàngaren kan denna svängas till ett mer uppåtstående läge vid vilket servicepersonal kan förflytta sig mellan två närliggande 10 11 509 193 solfångarpar. Det är även möjligt vid en sådan konstruk- tion att möjliggöra omställning av solfàngarna mellan t ex ett sommarläge och ett vinterläge, varvid parabelns symmetriaxel ställs i en mindre acceptansvinkel under vintern då den maximala solhöjden är lägre. Detta skulle även kunna kombineras med att den nedre solfångaren i varje par, vilken vid låg solhöjd kommer att vara mer eller mindre skuggad av det framförvarande solfångar- paret, stängs av för att minimera förlusterna från absor- batorn.

Claims (4)

10 15 20 25 30 509 193 12 PATENTKRAV

1. Solfångare av en-axelkoncentrerande typ vilken uppvisar en rännformad reflektor (1) med en reflekterande invändig yta som har till uppgift att reflektera infal- lande solstrålning mot en i rännan placerad, långsträckt absorbator (3) anordnad på avstånd från dennas begränsningsytor i avsikt kring vilken en transparent film (11) är att begränsa värmekonvektion och därigenom reducera vär- meförlusterna från absorbatorn, k ä n n e t e c k n a d (ll) vilken i ett mittparti är upphängd utmed sin av att filmen har formen av en långsträckt remsa längdutsträckning på avstånd över absorbatorn (3) och vilkens kantpartier sträcker sig ned på vardera sidan om absorbatorn, varvid vart och ett av kantpartierna är förbundet med en làngsidokant av ett långsträckt plattelement (13) vilkets motsatta làngsidokant är stödd i området av anslutningen mellan absorbatorn och reflektorn för att på så sätt säkerställa sträckt distanshållning av filmen kring absorbatorn.

2. Solfångare enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d (ll)

3. Solfångare enligt krav 1 eller 2, k ä n n e - av att filmen är utförd av teflon. t e c k n a d av att filmen (ll) är upphängd i ett mittparti genom att densamma är lagd över en skruvfjäder (12) som bärs på avstånd över absorbatorns (3) övre kant.

4. Solfångare enligt något av föregående krav, av att reflektorn (1) innefattar k ä n n e t e c k n a d ett korrugerat element (8) uppvisande åsar och dalar, vilket är format i den föredragna rännformen och på vilkets insida är anbringad en högreflekterande folie (10) elementets åsar och fritt spänd över dettas dalar. eller liknande vilken är fäst på det korrugerade