DE20210881U1

DE20210881U1 - Solarkollektor

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Publication number: DE20210881U1
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Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2012-07-13

Description

[Gebrauchsmus teranicieldung]

[Bezeichnung der Erfindung:] Solarkollektor

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[Besehreibung]

Die Erfindung betrifft einen kompakten Solar- bzw. Sonnenkollektor, der als kleines solarthermisches Kraftwerk der Erwärmung von Wasser, zu Heizzwecken, zur Betreibung einer Wärmepumpe oder auch der Stromerzeugung dient.

[Stand der Technik]

Zur Nutzung der Sonnenenergie sind bereits eine Vielzahl unterschiedlicher Konzepte bekannt.

Für die Stromerzeugung aus Sonnenenergie wurden bereits große solarthermische Kraftwerke realisiert, bei denen auf einer Fläche von 5000 bis 10000 m² Spiegel aufgestellt sind, die das Sonnenlicht auf einen Punkt, der Spitze eines mindestens 100 m hohen Turmes, fokussieren. Dort befindet sich ein Absorber, in dem Luft auf etwa 800 bis 1000 Grad Celsius aufgeheizt wird. Die heiße Luft wird in einen Abhitzekessel geleitet, um Dampf zu erzeugen. Der Dampf wiederum treibt eine Dampfturbine zur Stromerzeugung an.

Solche Anlagen können nur in sonnenreichen Gebieten ausreichend und relativ kontinuierlich Strom liefern. Sie sind sehr aufwendig, teuer und wartungsintensiv. Für Individuallösungen sind sie ineffektiv und ungeeignet zur Ausnutzung auch geringerer Strahlungsleistungen.

Bekannt sind weiterhin Fotovoltaikpaneele, die z. B. auf Hausdächern angeordnet, direkt Solarstrom erzeugen. Diese Art der Stromerzeugung ist die mit Abstand teuerste.

Billigere und einfachere Lösungen zur Ausnutzung der Sonnenenergie sind Solarkollektoren, die seit langem in zahlreichen Ausführungsformen bekannt sind. Das Grundprinzip besteht in der Erwärmung eines Mediums, vorzugsweise Wasser, das durch schwarze Schläuche oder Rohre geleitet, der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist.

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Zur Optimierung der Sonnenenergie kann der Kollektor im Brennbereich eines Hohlspiegels angeordnet und die gesamte Anlage der Sonne nachgeführt werden.

Die DE 31 01 186 Al beschreibt einen Sonnenwärmekollektor in kalotten-, halbkugel- oder kugelförmiger Gestalt mit einem Absorber und einem fluiden Wärmeträger, der unabhängig von Änderungen des Sonneneinfallswinkels ist und über eine vergrößerte Wärmeabsorptionsfläche verfügt. Der Absorber ist ein rohrförmigen wärmeaufnehmender vom Wärmeträger durchströmter Kanal, der aus einer zu einer Kuppel gewendelten Rohrspirale besteht. Der Hohlraum unter der Kuppel wird als Wasserspeichertank genutzt.

Die gesamte Anordnung ist mit einer transparenten, halbkugelförmigen Haube umgeben, die als Schutzmantel dient und gleichzeitig eine zusätzliche Erwärmung durch den sogenannten Treibhauseffekt bewirkt.

Zur Optimierung der Sonnenenergie wird in dieser Erfindung ein konkaver Reflektor auf der Rückseite des Absorbers beansprucht, ohne dass dessen Anordnung und Wirkungsweise genauer beschrieben ist.

Diese Lösung arbeitet zwar grundsätzlich unabhängig vom Sonnenstand, nutzt aber die Sonnenenergie nicht optimal aus. Es wird immer nur ein bestimmter Sektor auf dem Absorber angestrahlt. Die Anordnung eines Reflektors hinter dem halbkugelförmigen Absorber kann zwar den angestrahlten Sektor erweitern, ist aber ohne ständige Nachführung in Abhängigkeit vom Sonnenstand wirkungslos.

Ein weiterer Nachteil dieser Lösung ist dahingehend zu sehen, dass nur die Außenseite des kuppeiförmig gewölbten Absorbers bestrahlt wird, während die Innen- oder Unterseite nicht zur Absorption der Sonnenenergie beiträgt.

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Auch die Weiterentwicklung dieser Erfindung, gemäß dem Gebrauchsmuster 90 10 407.2 Ul, schafft keine optimale Ausnutzung der Sonnenstrahlungsenergie. In dieser Lösung bildet die Wandung des Speichertanks selbst die Absorptions-

Die ganze Anordnung ist, wie auch die der Vorgängerlösung

mit einer transparenten, halbkugelförmigen Haube umgeben,

die durch eine unterschiedliche Wandstärke gleichzeitig eine

Art Linseneffekt bewirken soll.

Die Nachteile sind aber gegenüber der DE 31 01 186 Al nicht aufgehoben. Die in einem Ausführungsbeispiel dargestellte Kugelform hat keinen Einfluss auf eine höhere Energieausbeute, da nach wie vor nur ein Sektor, im wesentlichen auf der oberen Halbkugel, angestrahlt ist. Eine Vergrößerung des Anstrahlungsbereiches könnte nur durch ein aufwendiges Reflektorsystem außerhalb der transparenten Schutzhaube erreicht werden.

Eine andere Lösung gemäß DE 296 10 091 Ul arbeitet nach dem Satelliten- Antennen- Prinzip. Im Zentrum einer halbkugelförmigen Schale mit Spiegelbeschichtung ist ein spiralgeformtes Rohrstück mit einem aufheizbaren Medium zur Aufnahme der Sonnenstrahlen angeordnet. Als aufheizbares Medium wird Öl verwendet, das über einen gesonderten Kreislauf einen Wassertank erhitzt. Über eine Steuereinrichtung, die eine Solarzelle nutzt, wird die Anlage zur Sonne ausgerichtet und nachgeführt.

Nachteilig an dieser Anlage ist, dass ein Ölzusatzkreislauf benötigt wird. Alle wesentlichen Teile, wie Heizwendel, Hohlspiegel und auch Solarzelle sind der Witterung ausgesetzt und müssen ständig gereinigt werden.

Eine andere Lösung unter Verwendung einer transparenten Kugel zeigt der Wassererwärmer nach der französischen Pa-

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tentanmeldung FR 2 556 825 Al auf. Im Hohlraum der Kugel wird eine Flüssigkeit zerstäubt. Die zerstäubte Flüssigkeit wird durch die Sonne erwärmt, sammelt sich im unteren Bereich der Hohlkugel und erwärmt über einen Kreislauf Wasser in einem Tank. Diese Lösung benötigt eine Pumpe, um den Kreislauf in Bewegung zu halten und um die Flüssigkeit sehr fein zu zerstäuben. Des weiteren dämpft der Sprühnebel die Intensität des Sonnenlichtes, was die Effektivität dieser Lösung stark einschränkt.

Schließlich beschreibt das japanische Patent 60122914 A eine Sonnenverfolgungs- und Strahlungskonzentrationseinrichtung, bei der, eingeschlossen in einer transparenten, kugelförmigen Hülle durch einen Hohlspiegel Licht auf einen Fotodetektor konzentriert wird. Die gesamte Einrichtung wird in Azimut und Elevation gesteuert der Sonne nachgeführt. Sie kann zur Stromerzeugung mit einer Fotovoltaikzelle, nicht aber zur Wassererwärmung eingesetzt werden.

[Aufgabe der Erfindung]

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Solarkollektor zu schaffen, der die Sonnenenergie mit und ohne Sonnennachführung optimal ausnutzt, einfach im Aufbau ist, nahezu wartungsarm und verschleißfrei arbeitet sowie einfach und preiswert in der Herstellung ist.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des 1. Schutzanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der Solarkollektor besteht aus einem, innerhalb einer transparenten, sphärischen Hülle angeordneten, als Absorber dienenden rohrförmigen, wärmeaufnehmenden, von einem Wärmeträger durchströmten Kanal, auf dessen Rückseite in bezug auf die Strahlungsrichtung zur Verstärkung und

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auf die Strahlungsrichtung zur Verstärkung und Konzentration der Sonnenstrahlung ein Hohlspiegel angeordnet ist. Dieser Hohlspiegel ist entweder direkt auf einen Teilbereich der Innenfläche der sphärischen Hülle aufgedampft oder befindet sich auf einem gesonderten Träger innerhalb der Hohlkugel.

Der rohrförmige Absorber ist annähernd zu einer kompakten Kugel oder einem Knäuel geformt und befindet sich im Zentrum der transparenten, sphärischen Hülle und im Brennbereich des Hohlspiegels. Die transparente, sphärische Hülle besteht aus einer geschlossenen, an der Unterseite bzw. Befestigungsseite abgedichteten Kuppel aus Glas oder einem ähnlichen transparenten Stoff. An dieser Stelle werden auch abgedichtet die notwendigen Zuführungen für den vom Wärmeträger durchströmten Kanal eingeführt. Die Befestigungsstelle kann in Form eines Metallflansches ausgebildet sein.

Die transparente, sphärische Hülle hat mehrere Aufgaben zu erfüllen. Sie schützt den gesamten Innenaufbau des Solarkollektors vor Wetter und Korrosion und bewahrt ihn vor Verschmutzung. Dadurch wird die Reparatur- und Wartungsanfälligkeit auf ein Minimum reduziert.

Des weiteren sorgt die transparente Hülle durch den sogenannten Treibhauseffekt für einen bestimmten Grad an Aufwärmung. Zweckmäßig ist dabei ein geringer Unterdruck, der gleichzeitig ein Beschlagen und Verschmutzen der Innenwand der Kugelhülle verhindert. Diese zusätzliche Wärmeenergie wird kontinuierlich dem Absorber zugeführt.

Zudem kann sich, bedingt durch die Kugelform, auch außen an der Hülle des Solarkollektors kein Schmutz absetzen. Bei Regenwetter wird die gesamte Kugel automatisch gereinigt. Auch Schnee findet keinen Halt bzw. schmilzt durch die vorhandene Innenwärme.

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Der rohrförmige, wärmeaufnehmende vom Wärmeträger durchströmte Kanal besteht vorzugsweise aus einem, in etwa zu einer Kugelform gewendelten Rohrstück. Für eine weitere Optimierung der Energieaufnahme und -ausnutzung ist es zweckmäßig den rohrförmigen Absorber mit einer porösen Oberfläche auszustatten, der das Licht auffängt und innerhalb seiner porösen Struktur derart reflektiert, dass es quasi aus dem Material nicht mehr herauskommen kann. Derartige Schichten erzeugen eine Erhitzung in der Tiefe der Struktur.

Diese Oberflächen lassen sich beispielweise durch Aufschäumen von Kunststoff herstellen.

Die poröse Struktur wird insgesamt auf das gewendelte Rohrstück, welches ebenfalls vorteilhaft aus Kunststoff geformt ist, aufgetragen.

Mit den bisher aufgeführten Merkmalen ist der Solarkollektor für den Einsatz in sonnenstrahlungsintensiven Breiten ausreichend und äußerst einfach im Aufbau. Die Befestigung des Solarkollektors erfolgt hier etwas seitlich bzw. an der schräge eines Daches, damit der Reflexionsspiegel nahezu unterhalb des gewendelten Rohrstücks angeordnet werden kann, um die Sonnenstrahlung bei einem Sonnenstand von Ost nach West ohne Nachführung ausreichend erfassen zu können.

Für nördliche oder auch weit südlicher vom Äquator entfernte Breitengrade ist eine Nachführung des Reflektors in Abhängigkeit vom Sonnenstand zweckmäßig, um das Sonnenlicht über den ganzen Tag optimal ausnutzen zu können.

Hierzu ist der Reflektor schwenkbar um den rohrförmigen, wärmeaufnehmenden vom Wärmeträger durchströmten Kanal herum auf einer drehbaren Plattform montiert.

Auf der gleichen Plattform ist, um 180° zur Mitte des Hohlspiegels versetzt, eine zur Sonne ausgerichtete Fotovoltaik-

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zelle angeordnet. Die Fotovoltaikzelle treibt einen Servomotor, der die Plattform in die strahlungsintensivste Richtung dreht.

In einer weiteren Ausführungsform ist es denkbar, die transparente sphärische Hülle mit einer zum Zenit der Hülle hin gleichmäßig ansteigenden Wandstärke zu versehen, um zusätzlich einen Linseneffekt zur Bündelung des Lichtes auf den Absorber zu erreichen.

[Beispiele]

An Hand von Zeichnungen werden vorteilhafte Ausführungsformen des Solarkollektors näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 Einen Solarkollektor mit Sonnennachführung,

Fig. 2 Einen Solarkollektor in einfacher Ausführung für sonnenreiche Breitengrade,

Fig. 3 Der Solarkollektor nach Fig. 2 mit Darstellung des Sonnenstandes.

Der Solarkollektor nach Fig. 1 besteht aus einer geschlossenen, zur Unterseite hin abgedichteten Glaskugel 1. Die gesamte Konstruktion wird von einem Metallauflagefuß 11 gehalten. Der Auflagefuß 11 besitzt Bohrungen für die Durchführung der Zu- und Abführung eines rohrförmigen Wärmeträgers 4. Zwischen dem Auflagefuß 11 und einem äußeren Metallring 10, ist eine rund umlaufende Profil- Gummidichtung 9 zur Abdichtung der Glaskugel 1 eingebracht. Dazu ist ein nach außen gerichteter, flanschartiger Glasrand in ein U-Profil der Gummidichtung 9 eingezogen. Die Gummidichtung 9 wird zusammen mit dem äußeren Metallring 10 und dem Auflagefuß 11 verschraubt. Dadurch entsteht eine vollständige

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Abdichtung, die auch eine Evakuierung der Glaskugel 1 zulässt.

Der rohrförmige Wärmeträger 4 führt in das Zentrum der Glaskugel 1, wo er, möglichst eine Kugel bildend, kompakt gewendelt ist. Die Zu- und Abführung des rohrförmigen Wärmeträgers 4 ist mit Spezialkleber am Auflagefuß 11 und einem innerhalb der Glaskugel 1 angeordneten Gehäuse 12 verklebt. Auf diesem Gehäuse 12 ist ein Drehteller 6 gelagert, der von einem Servomotor 7 gedreht wird. Der Servomotor 7 ist innerhalb des Gehäuses 12 derart angeordnet, dass ein Reibrad 8 an der Unterseite des Drehtellers 6 anschlägt. Dadurch wird ein Kraftschluss zwischen dem Reibrad 8 und dem Drehteller 6 erreicht.

An der Oberseite des Drehtellers 6 ist als Reflektor ein Spiegelgestell 2 mit einer Spiegelfolie 3 befestigt. Außerdem ist auf dem Drehteller, um 180° zu diesem versetzt, eine Halterung 14 zur Aufnahme einer Fotovoltaikzelle 15 angeordnet. Fotovoltaikzelle 15 und Servomotor 7 wurden zweckmäßigerweise vor dem Einbau verkabelt.

Zur Erhöhung der Strahlungsabsorption ist der rohrförmige Wärmeträger 4 mit einer porösen Struktur 16 beschichtet oder umgeben.

Der Solarkollektor nach Fig. 1 arbeitet wie folgt:

Trifft die Sonnenstrahlung auf die transparente Kugel 1, richtet sich die Fotovoltaikzelle 15 nach dem hellsten Punkt am Himmel. Das heißt, genau an die Stelle an der sich die Sonne, auch bei einer Bewölkung, befindet. Dabei wird von der Fotovoltaikzelle 15 ein schwacher Strom abgegeben. Dieser treibt den Servomotor 7, der über eine Regelschaltung den Drehteller 6 nachführt und ausrichtet.

Ist die Sonne durch Wolken verdeckt, arbeitet die Anlage zwar nicht voll, aber immerhin auf geringer Stufe weiter.

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Nach dem automatischen Ausrichten der Anlage, trifft die volle Sonnenenergie 18 (in Fig. 3 zu erkennen) auf den kugelförmigen Absorber 4 und den Hohlspiegel 2. Die Strahlung 18 trifft einmal direkt von vorn und gleichzeitig gebündelt von hinten auf den Absorber 4. Der in der Rohrwendel 4 befindliche fluide Wärmeträger 5 wird stark erwärmt und dann beispielsweise als Zirkulationsflüssigkeit einem handelsüblichen Wärmetauscher zugeführt.

Nach dem die Zirkulationsflüssigkeit 5 den Wärmetauscher mehrere Male durchlaufen hat, ist das von einer Kaltwasserleitung kommende Wasser so warm, dass es für einen Verbrauch entnommen werden kann.

Eine andere Variante ist die Nutzung der im Wärmeträger 5 zirkulierenden Flüssigkeit zu Heizzwecken.

Eine weitere Möglichkeit bildet die doppelte Nutzung der vom Absorber 5 abgegebenen Wärme. Hierbei wird warmes Brauchwasser über den Wärmeaustauscher erzeugt und zusätzlich über eine zweite Leitung Heißwasser in Heizkörper abgegeben.

In Fig. 2 ist eine besonders einfache Ausführung des Solarkollektors für sonnenreiche Gegenden, wie sie insbesondere in der sogenannten Dritten Welt gegeben sind, dargestellt.

Der grundsätzliche Aufbau des Solarkollektors ist der Gleiche wie in Fig. 1. Lediglich auf die Mittel und die Mechanik (Spiegelgestell 2, Drehteller 6, Servomotor 7, Lager 13, Fotovoltaikzelle 15) zur Sonnennachführung wurde verzichtet. Die Spiegelfolie 3 ist direkt auf der Innenseite der sphärischen Hülle 1 aufgedampft.

Der Sonnenkollektor ist mit seinem Metallfuß 11 etwas schräg an einem Dach 17 oder ähnlichem befestigt, so dass die Spiegelfläche 3 weit unter den Absorber 4 gezogen werden

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kann. Die Neigung erfolgt nördlich des Äquators gegen Norden, so dass bei einem hohen Sonnenstand im Süden die Spiegelfolie 3 optimal genutzt wird.

Fig. 3 zeigt den gleichen Solarkollektor nach Fig.2 von Norden her betrachtet. Es ist zu erkennen, dass die Strahlung 18 der Sonne durch den Hohlspiegel 3 in einem weiten Winkel von Ost nach West auch ohne Nachführung erfasst werden kann.

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[Bezugszeichenliste]

Transparente sphärische Hülle 1

Hohlspiegel, Spiegelgestell 2

Spiegelfolie 3

Rohrförmiger Absorber 4

Wärmeträger 5

Drehbare Plattform, Drehteller 6

Servomotor 7

Reibrad 8

Gummidichtung 9

Äußerer Metallring Metallauflagefuß Gehäuse Lager für Drehteller Halterung Fotovoltaikzelle Poröse Keramikstruktur Dach Sonnenstrahlen

Claims

1. Solarkollektor mit einem innerhalb einer transparenten, sphärischen Hülle (1) angeordneten rohrförmigen, wärmeaufnehmenden vom Wärmeträger (5) durchströmten Kanal (4), wobei zur Verstärkung und Konzentration der Sonnenstrahlung ein Hohlspiegel (2) eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige, wärmeaufnehmende, vom Wärmeträger (5) durchströmte Kanal (4) annähernd zu einer kompakten Kugel geformt oder gewunden ist, sich im Zentrum der transparenten, sphärischen Hülle (1) befindet und im Brennbereich des Hohlspiegels (2) angeordnet ist.

2. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlspiegel (2), je nach Breitengrad seitlich und/oder unterhalb des rohrförmigen, wärmeaufnehmenden vom Wärmeträger (5) durchströmten Kanals (4) angeordnet ist.

3. Solarkollektor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlspiegel (2) innen auf die sphärische Hülle (1) aufgedampft ist.

4. Solarkollektor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlspiegel (2) auf einem Spiegelgestell montiert ist.

5. Solarkollektor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlspiegel (2), gesteuert durch einen Fotodetektor (15), der Sonne nachführbar angeordnet ist.

6. Solarkollektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotodetektor (15) eine Fotovoltaikzelle ist.

7. Solarkollektor nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlspiegel (2) in bezug auf die Sonne hinter dem rohrförmigen, wärmeaufnehmenden vom Wärmeträger (5) durchströmten Kanal (4) und der Fotodetektor (15) vor dem rohrförmigen, wärmeaufnehmenden vom Wärmeträger (5) durchströmten Kanal (4) auf einer Plattform (6) innerhalb der transparenten Hülle (1) drehbar angeordnet ist.

8. Solarkollektor nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Drehung der Plattform (6) ein Servomotor (7) angeordnet ist, der durch die Fotovoltaikzelle (15) mit Strom versorgt und durch eine Regeleinrichtung gesteuert ist.

9. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige, wärmeaufnehmende vom Wärmeträger (5) durchströmte Kanal (4) ein zu einer Kugel gewendeltes Rohrstück ist.

10. Solarkollektor nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass auf den rohrförmigen, wärmeaufnehmenden vom Wärmeträger (5) durchströmten Kanal (4) eine poröse Struktur (16) aufgebracht oder der rohrförmige, wärmeaufnehmende vom Wärmeträger (5) durchströmte Kanal (4) von dieser Struktur (16) umschlossen ist.

11. Solarkollektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Struktur (16) eine aufgeschäumte Kunststoffmasse ist.

12. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente sphärische Hülle (1) mit einer zum Zenit der Hülle (1) hin gleichmäßig ansteigenden Wandstärke ausgeführt ist.