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WO2008017091A1 - Solarkollektor zur bedarfsangepassten erfassung von solarstrahlung - Google Patents

Solarkollektor zur bedarfsangepassten erfassung von solarstrahlung Download PDF

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WO2008017091A1
WO2008017091A1 PCT/AT2007/000381 AT2007000381W WO2008017091A1 WO 2008017091 A1 WO2008017091 A1 WO 2008017091A1 AT 2007000381 W AT2007000381 W AT 2007000381W WO 2008017091 A1 WO2008017091 A1 WO 2008017091A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
reflector
absorber
absorber element
angle
solar
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/AT2007/000381
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Birnhofer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from AT0134806A external-priority patent/AT503992B1/de
Priority claimed from AT0060706U external-priority patent/AT8788U3/de
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of WO2008017091A1 publication Critical patent/WO2008017091A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/80—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors having discontinuous faces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S2023/87—Reflectors layout
    • F24S2023/872—Assemblies of spaced reflective elements on common support, e.g. Fresnel reflectors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers

Definitions

  • the present invention relates to a device for demand-adapted detection of solar radiation. It relates to the field of heating and energy conversion technology, in particular components of solar and photovoltaic systems.
  • This device is preferably used for hot water preparation, heating, cooling and, to a lesser extent, power supply. It can be mounted on walls and roofs, integrated in building structures or freely placed and has an efficiency that is optimally adaptable to the annual needs.
  • Modern solar systems convert the solar irradiation with the help of flat collectors or vacuum tube collectors with CPC reflector (Compound Parabolic Concentrator) maximally into heat and thus warm water. Absorption and also reflection are exploited in such a way that a maximum amount of heat is released to the absorber for a certain irradiated area, even from different angles of incidence.
  • alignment with the sun is optimized by means of automatically adjusting the inclination and horizontal orientation of the entire collector element from east to west.
  • specially shaped mirrors are used to increase the efficiency of certain angles.
  • a solar thermal mirror collector in which a plurality of rotatably mounted plane mirror directing the solar radiation onto a long-cylindrical solar absorber.
  • the mirrors can be optimally adjusted by motor and time control.
  • US Pat. No. 4,572,160 discloses a heliotropic solar heat collector system which has an east-west solar tracking system and allows the solar radiation to penetrate over a defined opening angle. This radiation is reflected by mirrors on two sides of a collector absorber, either the first reflection or two mirrors the second reflection reaches the absorber surface. The orientation is indirectly during the day always directly facing the sun. At the limit of the heat capacity optional photovoltaic elements can be folded as a panel over the solar window, which instead of heat, the light is converted into electricity.
  • a disadvantage of the above systems is the generation of excess energy, the need for permanent tracking of the elements with respect to the position of the sun and due to the moving parts high maintenance and susceptibility to errors.
  • the above systems are the generation of excess energy, the need for permanent tracking of the elements with respect to the position of the sun and due to the moving parts high maintenance and susceptibility to errors.
  • the subject solar collector for demand-adapted detection of solar radiation is proposed.
  • This has an absorber element.
  • a reflector is provided, which is constructed in cross section from a lower 4, a middle 13 and an upper portion 3.
  • At least one reflector surface above the absorber element serves to direct flat radiation with an angle of incidence below about 30 ° onto the absorber element. Steeper radiation from an angle of incidence of about 30 °, however, causes a partial shading of the absorber 6 from the incident light.
  • At least one reflector surface below the absorber element serves for the indirect irradiation of the side of the absorber element facing away from the sun.
  • the reflector surfaces are aligned in heating mode such that at low sun, the reflected from the reflector surfaces solar radiation substantially falls on the collector surface.
  • shallow sunbeam angles of incidence up to 30 ° with respect to the horizon, as it is given in the morning and evening mornings and in the cold season by the ecliptic, much of the radiation is absorbed by the device and into heat or electrical energy transformed.
  • the orientation requires that little to no direct solar radiation is reflected by the reflector surfaces on the absorber surface.
  • incident light beams are directed onto the underside of the absorber 6 directly via the lower reflector region 4 or optionally via a further reflection via the central reflector region 13.
  • At least one of the reflector surfaces is constructed in several parts from plan mirror surfaces, whereby the structure can be easily, inexpensively and easily adapted to the geographical requirements.
  • the invention has a cuboid flat light-introducing box as a housing and as a support for at least one absorber element and at least one reflector surface.
  • a cuboid flat light-introducing box as a housing and as a support for at least one absorber element and at least one reflector surface.
  • an angle adjustment device can be provided for at least one reflector surface.
  • the angles can be adjusted simultaneously by gear or belt in predetermined proportions to each other or each surface can also be individually adjustable. This also makes it possible to optimize for certain angles of inclination of roofs or walls on site. Also, the efficiency may be e.g. temporarily or permanently increased by a positioning lever for operation in the warm season, whereby cloudiness or local conditions such as shadows cast by trees can be taken into account.
  • An adaptive angular adjustment by time-controlled electric motors or bimetal strips can be provided for further optimization.
  • a vacuum absorber tube can be used or it can absorber plate similar to those used in flat panels for heat absorption.
  • An angle adjustment device for the absorber surface can be provided for optimization. This is possible with flat plate collectors via hinge hinges between absorber plate and heat exchange tube.
  • At least one side of the absorber element can carry a photovoltaic cell. This can be arranged either in the stronger or in the less irradiated part of the surface of the absorber element depending on the need for hot water or electrical power.
  • Figure 5 shows the effects of reflections within the device according to Example Figure 1 -4 at an angle of 5 ° to 30 ° .
  • FIG. 6 shows the section through a possible example of the device according to the invention with the determined optimum setting or bending angles for the reflector surface (s)
  • Fig. L 1 and Fig.12 show the arrangement of several elements in a housing (cross-sectional view).
  • Fig. 13 and Fig. 14 shows the arrangement in inclined position (roof collector).
  • Fig.l 5 is an example in a spatial representation.
  • Fig.l the schematic internal structure of an example of the device 1 for detecting solar radiation is shown.
  • the sun angle is here 5 ° with respect to the horizontal plane.
  • the solar radiation falls through the cover 8 on the upper surface 5 of the absorber element 2, which here is a surface absorber 12 preferably made of aluminum or steel sheet with highly absorbent paint (black).
  • the solar radiation falls on the reflector surface 3 above the absorber element 2 and on the reflector surface 4 below the absorber element 2 of where it is simply reflected.
  • the central reflector surface 13 serves as a second reflection surface. At 5 °, part of the radiation is still reflected, whereby only about 60% of the radiation reaching through the cover falls onto the absorber element. Nevertheless, there is a higher temperature gradient compared to full-surface collectors, which enables better heat transfer.
  • FIG. 2 shows the example of Fig.l with an angle of incidence of 10 ° relative to the horizontal plane. From this angle, all radiation falling through the cover 8 impinges on the surface 5, 6 of the absorber element 2 (100%). Due to the smaller area compared to the cover 8, the temperature increases more rapidly, since a certain beam overlay (bundling) takes place.
  • a wavefront is created for each plane reflector section.
  • An angle of incidence of 10 ° causes a double reflection of the wave front over the lowermost portion of the lower 4 and the uppermost portion of the middle 13 reflector region of the reflector surface.
  • a simple reflection of the wavefront takes place at the second highest section of the lower reflector region.
  • an eight-sided prism is formed by the absorber element, the cover and the reflector surface (s).
  • the angles of the reflector surfaces from bottom to top are chosen differently here.
  • the lowest reflection area reflects solar radiation with a 10 ° angle of incidence on the highest reflection area near the absorber surface and from there on the same. Solar radiation with an incident angle of 20 ° is directed from the lowest reflection area directly onto the absorber surface.
  • Incident angles above 20 ° are only deflected onto the absorber surface by a part of the lowest reflection plane, the rest exits from the cover 8. But possibly also a reflection in the cover can be done. Neglecting these reflections, only a quarter of the radiation in the lower region hits the absorber underside at 30 °. Following up to the lowest level reflection area further reflector surfaces follow. The next one has full alignment with the absorber surface at 10 ° and the next one at 5 °. This results in a dependent of the angle of incidence and the orientation of the reflector surfaces absorption. For 20 ° angle of incidence, the first reflection of the lowermost reflector section is already directed onto the absorber surface. However, the second reflector section only covers half the absorber surface underside.
  • the third reflector section reflects incident light up to about 25 ° on the absorber element.
  • Fig. 6 shows an example of a reflector surface arrangement.
  • the course of the sun's position for a vertically oriented solar collector eg for 47 degrees north latitude over the year, is adapted very well to the needs of the hot water, heat or solar energy consumers.
  • 7 shows the contour of the cross section of a vertically mountable solar collector part with flat absorber element 12.
  • FIG. 8 shows a contour of such a part with a vacuum tube absorber.
  • Fig. 9 and Fig. 10 show further contours to the schematic representation for use in inclined roofs; here for 45 ° roof slopes and also as contour of a device with flat or with vacuum tube absorber version.
  • Fig.l 1 and Fig. 12 it is shown how the individual devices 1 are integrated in an assembly with a box 7. So large areas can be covered.
  • Fig. 13 and Fig. 14 sketch examples of boxes which are mounted on roof slopes.

Landscapes

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Abstract

Der Solarkollektor (1) umfasst ein Absorberelement (2) und mindestens eine Reflektorfläche (3) oberhalb des Absorberelementes (2) und mindestens eine Reflektorfläche (4) unterhalb des Absorberelementes (2), wobei der Reflektor im Querschnitt aus einem unteren (4), mittleren (13) und oberen Bereich (3) aufgebaut ist, wobei die Ausrichtung der Reflexionsfläche des unteren Reflektorbereichs (4) bei einem Einfallswinkel der Sonnenstrahlung von über ca. 40° zu einer vollständigen Rückstrahlung des Lichtes aus dem Reflektor führt, bei einem Einfallswinkel unter ca. 25° zu einer vollständigen Reflexion der einfallenden Lichtstrahlen, gegebenenfalls über eine weitere Reflexion über den mittleren Reflektorbereich (13), auf die Unterseite des Absorbers (6) führt und der obere Reflektorbereich (3) bei einem Einfallswinkel der Sonnenstrahlung von über ca. 30° eine teilweise Abdeckung des Absorbers (6) vom einfallenden Lichte bewirkt, und bei einem Einfallswinkel unter ca. 30° zu einer Reflexion des auf ihn fallenden Lichtes auf den Absorber führt.

Description

Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur bedarfsangepassten Erfassung von Solarstrahlung. Sie betrifft das Fachgebiet der Heizungs- und Energiewandlungstechnik insbesondere Bestandteile von Solar- und Photovoltaik-Anlagen.
Einsatz findet diese Vorrichtung vorzugsweise zur Warmwasserbereitung, Heizung, Kühlung und in geringerem Maße zur Stromversorgung. Sie kann auf Wände und Dächer montiert werden, in Gebäudestrukturen integriert werden oder frei aufgestellt sein und weist einen Wirkungsgrad auf, welcher dem jährlichen Bedarf optimal anpassbar ist.
Stand der Technik
Moderne Solaranlagen wandeln die solare Einstrahlung mithilfe von Flachkollektoren oder Vakuumröhrenkollektoren mit CPC-Reflektor (Compound Parabolic Concentrator) maximal in Wärme und folglich Warmwasser um. Absorption und auch Reflexion werden dabei so ausgenützt, dass für eine bestimmte bestrahlte Fläche auch aus unterschiedlichen Einstrahlwinkeln ein Maximum an Wärmemenge an den Absorber abgegeben wird. Darüber hinaus wird die Ausrichtung gegenüber der Sonne durch Einrichtungen optimiert, indem Neigung und Horizontalausrichtung des gesamten Kollektor-Elements von Ost nach West automatisch angepasst wird. Bei starren Systemen, oder Systemen welche aus ästhetischen Gründen keine Bewegung der gesamten Kollektorfläche zulassen, werden besonders geformte Spiegel zur Wirkungsgrad-Steigerung für bestimmte Winkel eingesetzt.
Aus DE 94 18 431 U ist ein spezieller Spiegel offenbart, welcher eine als „laxodrom" bezeichnete Form aufweist und dem Ausgleich der jahreszeitlichen Schwankungen dient. Ein oberer und ein unterer Spiegel sowie ein Absorber oder eine Vakuumröhre bilden den Solarkollektor.
Aus DE 298 12 174 U ist ein Thermischer Sonnenspiegelkollektor bekannt, in welchem mehrere drehbar gelagerte Planspiegel die Solarstrahlung auf einen längenzylindrischen Solarabsorber lenken. Die Spiegel können dabei durch Motor und Zeitsteuerung optimal eingestellt werden.
Aus US 4,572,160 ist schließlich ein Heliotropic Solar Heat Collector System bekannt, welches ein Ost-West Sonnen-Verfolgungssystem aufweist und die Solar-Strahlung über einen definierten Öffnungswinkel eindringen lässt. Diese Strahlung wird über Spiegel auf zwei Seiten eines Kollektor-Absorbers reflektiert, wobei entweder die erste Reflexion oder über zwei Spiegel die zweite Reflexion die Absorberfläche erreicht. Die Ausrichtung ist mittelbar tagsüber stets direkt der Sonne zugewandt. Bei der Grenze der Wärmekapazität können optional Photovoltaik-Elemente als Blende über das Solarfenster geklappt werden, wodurch anstelle von Wärme, das Licht in elektrischen Strom gewandelt wird.
Nachteilig an obigen Systemen ist die Entstehung von Überschussenergie, die Notwendigkeit einer permanenten Nachführung der Elemente gegenüber der Sonnenposition und der aufgrund der beweglichen Teile hohe Wartungsaufwand und Anfälligkeit für Fehler. Darüber hinaus wird die
Diskrepanz aus hohem Bedarf an Wärme und Warmwasser bei schlechter Ausbeute im Winter und geringer Bedarf bei hoher Ausbeute im Sommer nicht beseitigt. Die meisten Systeme zielen auf höchstmöglichem Wirkungsgrad bei gegebener Solarfläche, wobei auch die Kosten für die Errichtung und Wartung von immanenter Bedeutung sind.
Aufgabe der Erfindung
Basierend auf diesen Stand der Technik wurde eine Vorrichtung zur bedarfsangepassten Erfassung von Solarstrahlung gesucht. Diese soll möglichst kostengünstig aus Standardbauelementen bildbar, einen für die bestrahlte Fläche idealen Wirkungsgrad aufweisen. Sie soll möglichst kompakt sein, in Module formbar sein und möglichst starr im Aufbau sein. Bewegliche Teile sind insofern vorgesehen, dass dadurch die Möglichkeit für rasche Verstellungen oder Montage beziehungsweise Demontage möglich ist, oder eine Funktionsumstellung zum Beispiel auf solares Kühlen erfolgen kann. Die erzielbare Energieaufnahme soll im Winter ausreichend für das Heizen sein, aber im Sommer dennoch die maximalen Bedürfhisse nicht überschreiten, oder gegebenenfalls ausreichend für solares Kühlen sein. Optional soll die Möglichkeit einer Zusatznutzung als Photovoltaik-Stromquelle gegeben sein und wetterbedingte Wirkverluste manuell oder automatisch korrigierbar sein. Darüber hinaus soll auch diffuses Streulicht und Reflexionslicht durch Schnee gut absorbiert werden.
Das Schutzbegehren
Zur Lösung dieser Aufgabenstellung wird der gegenständliche Solarkollektor zur bedarfsangepassten Erfassung von Solarstrahlung vorgeschlagen. Dieser weist ein Absorberelement auf. Weiters ist ein Reflektor vorgesehen, der im Querschnitt aus einem unteren 4, einem mittleren 13 und einem oberen Bereich 3 aufgebaut ist.
Mindestens eine Reflektorfläche oberhalb des Absorberelementes dient dazu flache Strahlung mit einem Einfallswinkel unter ca. 30° auf das Absorberelement zu lenken. Steilere Strahlung ab einem Einfallswinkel von über ca. 30° bewirkt jedoch eine teilweise Abschattung des Absorbers 6 vor dem einfallenden Licht.
Mindestens eine Reflektorfläche unterhalb des Absorberelementes dient der indirekten Bestrahlung der Sonne abgewandten Seite des Absorberelementes. Dazu sind im Heizbetrieb die Reflektorflächen derart ausgerichtet, dass bei niedrigem Sonnenstand die von den Reflektorflächen reflektierte Solarstrahlung im Wesentlichen auf die Kollektor-Oberfläche fällt. So wird bei flachen Sonnenstrahl-Einfallswinkeln bis 30° gegenüber dem Horizont, wie er in den Tages-Randzeiten morgens und abends und in der kalten Jahreszeit durch die Ekliptik gegeben ist, ein Großteil der Strahlung durch die Vorrichtung absorbiert und in Wärme oder auch elektrische Energie umgewandelt.
Bei hohem Sonnenstand mit steilen Sonnenstrahl-Einfallswinkeln bis 30° und mehr, bezogen auf die Horizontal-Ebene, bedingt die Ausrichtung, dass wenig bis keine direkte Solarstrahlung von den Reflektorflächen auf die Absorber-Oberfläche reflektiert wird.
Ab 40° wird das Sonnenlicht von der unteren Reflektorfläche wieder zurückgeworfen ohne auf die Absorberoberfläche aufzutreffen. Diese Wirkung bei Zenitstand (mittags), vor allem in der warmen Jahreszeit aufgrund der Ekliptik, verhindert ein Überhitzen des Wärmeträgers oder vermeidet eine unerwünschte nicht benötigte Energieabsorption die zu Schädigungen führen könnte.
Bei einem Einfallswinkel unter ca. 25° werden einfallende Lichtstrahlen, direkt über den unteren Reflektorbereich 4 oder gegebenenfalls über eine weitere Reflexion über den mittleren Reflektorbereich 13, auf die Unterseite des Absorbers 6 gelenkt.
Vorzugsweise ist zumindest eine der Reflektorflächen mehrteilig aus Plan-Spiegelflächen aufgebaut, wodurch der Aufbau einfach, kostengünstig und den geographischen Erfordernissen leicht angepasst werden kann.
Zum einfachen Transport und zur leichten Montage an Gebäuden weist die Erfindung einen quaderförmigen flachen Licht einlassenden Kasten als Gehäuse und als Träger für mindestens ein Absorberelement und mindestens eine Reflektorfläche auf. Dadurch können gleichartige vorgefertigte Module leicht aneinander gefügt werden und verbunden werden. Durch reflektierende Seitenwände wird auch schräg einfallendes Licht über die Reflektorflächen wieder optimal auf die Absorberelemente gelenkt.
Vorteilhaft kann eine Winkelverstelleinrichtung für mindestens eine Reflektorfläche vorgesehen sein. Die Winkel können simultan über Getriebe oder Riemen in vorgegebenen Verhältnissen zueinander verstellbar sein oder jede Fläche kann auch einzeln verstellbar sein. Dadurch lassen sich ebenfalls Optimierungen für bestimmte Neigungswinkel von Dächern oder Wänden vor Ort vornehmen. Auch kann der Wirkungsgrad einen z.B. durch einen Positionierungshebel für den Betrieb in der warmen Jahreszeit temporär oder dauerhaft erhöht werden, wodurch Bewölkung oder lokale Bedingungen wie Schattenwurf durch Bäume berücksichtigt werden können. Eine adaptive Winkelverstellung durch Zeit gesteuerte Elektromotoren oder Bimetall-Streifen kann zur weiteren Optimierung vorgesehen sein.
In diesem Zusammenhang wird auch ein möglicher Sommerbetrieb als Element für Solares Kühlen, gesehen wobei die Winkeleinstellungen anders als für den Heizbetrieb erfolgen.
Als Absorberelement kann ein Vakuum-Absorber-Rohr eingesetzt werden oder es kann Absorberblech ähnlich jenen in Flachkollektoren zur Wärmeaufnahme dienen.
Eine Winkelverstelleinrichtung für die Absorberfläche kann zur Optimierung vorgesehen sein. Dies ist bei Flachkollektoren über Bandscharniere zwischen Absorberblech und Wärmetauschrohr möglich.
Zur zumindest teilweisen elektrischen Nutzung der Solarenergie kann mindestens eine Seite des Absorberelementes eine Photovoltaikzelle tragen. Diese kann je nach dem Bedarf nach Warmwasser oder elektrischer Leistung entweder im stärker oder im schwächer bestrahlten Teil der Oberfläche des Absorberelementes angeordnet sein.
Dadurch kann vorteilhaft eine Pumpe zum Transport des Wärmemediums vorgesehen werden, welche durch den Solarstrom aus der Photovoltaikzelle betrieben wird. Dadurch ergibt sich eine strahlungsabhängige Förderleistung. Die Erfindung wird anhand beiliegender Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. l bis Fig.4 ein Beispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Querschnitt mit unterschiedlichen solaren Einstrahlwinkeln
Fig.5 die Auswirkungen der Reflexionen innerhalb der Vorrichtung laut Beispiel Fig. 1 -4 im Winkel verlauf von 5° bis 30°;
Fig.6 den Schnitt durch ein mögliches Beispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den ermittelten optimalen Stell- oder Knickwinkeln für die Reflektorfläche(n)
Fig.7 bis Fig.10 zeigen verschiedene Innenkonturen der Reflektorflächen mit Abdeckung und die Außenkontur des Absorbers im Schnitt.
Fig. l 1 und Fig.12 zeigen die Anordnung mehrerer Elemente in einem Gehäuse (Querschnitts- Darstellung).
Fig.13 und Fig. 14 zeigt die Anordnung in Schräglage (Dachkollektor). Fig.l 5 ein Beispiel in räumlicher Darstellung.
In Fig.l ist der schematische innere Aufbau eines Beispieles der Vorrichtung 1 zur Erfassung von Solarstrahlung gezeigt. Der Sonneneinfallswinkel ist hier 5° gegenüber der Horizontalebene. Die Solarstrahlung fällt durch die Abdeckung 8 auf die obere Oberfläche 5 des Absorberelementes 2, welches hier ein Flächenabsorber 12 vorzugsweise aus Aluminium- oder Stahlblech mit hoch absorbierendem Anstrich (schwarz) ist. Daneben fällt die Solarstrahlung auf die Reflektorfläche 3 oberhalb des Absorberelementes 2 und auf die Reflektorfläche 4 unterhalb des Absorberelementes 2 von, wo sie einfach reflektiert wird. Die mittlere Reflektorfläche 13 dient als Zweitreflexionsfläche. Bei 5° wird ein Teil der Strahlung noch reflektiert wodurch nur ca.60% der durch die Abdeckung gelangenden Strahlung auf das Absorberelement fällt. Dennoch ergibt sich hier ein gegenüber Vollflächenkollektoren ein höherer Temperaturgradient, welcher bessere Wärmeübertragung ermöglicht.
Fig.2 zeigt das Beispiel aus Fig.l mit einem Einfallswinkel von 10° gegenüber der Horizontalebene. Ab diesem Winkel trifft sämtliche durch die Abdeckung 8 fallende Strahlung auf der Oberfläche 5,6 des Absorberelementes 2 auf (100%). Aufgrund der im Vergleich zur Abdeckung 8 kleineren Fläche erhöht sich die Temperatur rascher, da eine gewisse Strahlenüberlagerung (Bündelung) erfolgt.
Fig.3 und Fig.4 zeigen die Reflexionen bei 40° bzw. 50°. Hier wird nur noch die direkt bescheinbare Oberfläche 5 von der Strahlung erreicht. Aufgrund des Stellwinkels der oberen Reflektorfläche 2 (hier: 30°) bildet sich darübi • hinaus eine Abschattung eines Teiles der oberen Absorberelement-Fläche. Diese Abschattung nimmt mit steigendem Winkel weiter zu, bis bei einer (gedachten) Einstrahlrichtung von 90° keine direkte Strahlung mehr auf das Absorberelement fällt. Das Streulicht sei hier vernachlässigt. Die mittlere Reflektorfläche 13 wird bei diesen Winkeln von keiner direkten Sonneneinstrahlung und keiner ersten Reflexion durch die untere Reflektorebene 4 getroffen.
Fig.5 soll die unterschiedliche Effizienz der Solarstrahlung in Abhängigkeit zum Einstrahlungswinkel verdeutlichen. Die obere Reflektorfläche 3 weist eine Ebene auf, welche sich in Richtung normal zur Zeichenebene beliebig lang erstrecken kann. Das Absorberelement 2 ist hier symbolisch als Flachkollektor 12 dargestellt und bildet mit dem oberen Teil der Abdeckung 8 und der Reflektorfläche 3 ein dreiseitiges Prisma. Die obere Reflektorfläche weist hier eine Neigung von 30° auf, welche für höhere Einstrahlwinkel einen Schattenwurf auf die Oberfläche 5 bewirkt. Flache Einstrahlwinkel treffen auch über Reflexion über die obere Reflektorfläche 3 am Absorberelement 2 auf. Zwischen 0° und 30° wird die Einstrahlung oberhalb des Absorberelementes nahezu vollständig absorbiert. Der untere Bereich der Vorrichtung dient der indirekten Bestrahlung der Absorberelement- Unterseite 6. Für jeden planen Reflektor- Abschnitt entsteht eine Wellenfront. Ein Einfallswinkel von 10° bewirkt eine Doppelreflexion der Wellenfront über den untersten Abschnitt des unteren 4 und den obersten Abschnitt des mittleren 13 Reflektorbereiches der Reflektorfläche. Eine einfache Reflexion der Wellenfront erfolgt am zweithöchsten Abschnitt des unteren Reflektorbereiches. Hier wird durch das Absorberelement, die Abdeckung und die Reflektorfläche(n) ein achtseitiges Prisma gebildet. Die Winkel der Reflektorflächen von unten nach oben sind hier verschieden gewählt. Der unterste Reflexionsbereich reflektiert Solarstrahlung mit 10° Einfallswinkel auf den obersten Reflexionsbereich nahe der Absorberfläche und von dort auf dieselbe. Solarstrahlung mit einem Einfallswinkel von 20° wird vom untersten Reflexionsbereich direkt auf die Absorberfläche gelenkt. Einfallswinkel über 20° werden nur von einem Teil der untersten Reflexionsebene noch auf die Absorberfläche gelenkt, der Rest tritt aus der Abdeckung 8 aus. Eventuell kann aber auch eine Reflexion in der Abdeckung erfolgen. Bei Vernachlässigung dieser Reflexionen trifft bei 30° nur noch ein Viertel der in den unteren Bereich einfallenden Strahlung auf die Absorber-Unterseite. Nach oben anschließend an den untersten ebenen Reflexionsbereich folgen weitere Reflektorflächen. Die nächste hat bei 10° die volle Ausrichtung auf die Absorberfläche und die übernächste bei 5°. Dadurch ergibt sich ein vom Einfallswinkel und von der Ausrichtung der Reflektorflächen abhängiger Absorptionsgrad. Für 20° Einfallswinkel wird bereits die erste Reflexion des untersten Reflektorabschnitts auf die Absorberfläche gelenkt. Der zweite Reflektorabschnitt deckt aber nur noch die halbe Absorberflächen-Unterseite.
Der dritte Reflektorabschnitt reflektiert einfallendes Licht bis ca.25° auf das Absorberelement.
Fig.6 zeigt ein Beispiel einer Reflektorflächen-Anordnung. Dabei wird der Verlauf des Sonnenstandes für einen vertikal ausgerichteten Solarkollektor z.B. für 47 Grad nördlicher Breite über das Jahr sehr gut an die Bedürfnisse des Warmwasser-, Wärme-, oder Solarenergie- Konsumenten angepasst. Fig.7 zeigt die Kontur des Querschnittes von einem vertikal montierbaren Solarkollektorteil mit Flachabsorberelement 12. Fig.8 zeigt eine Kontur eines solchen Teiles mit Vakuumröhren- Absorber. Fig. 9 und Fig. 10 zeigen weitere Konturen zur Prinzipdarstellung für den Einsatz in geneigten Dächern; hier für 45° Dachneige und ebenfalls als Kontur einer Vorrichtung mit Flach- oder mit Vakuum-Röhrenabsorber Ausführung.
In Fig.l 1 und Fig. 12 ist gezeigt, wie die einzelnen Vorrichtungen 1 in einer Baugruppe mit einem Kasten 7 integriert werden. So können große Flächen abgedeckt werden. Fig. 13 und Fig.14 skizzieren Beispiele für Kästen, welche auf Dachneigungen montiert werden.
Bezugszeichenliste
1 Solarkollektor-Vorrichtung
2 Absorberelement
3 oberer Reflektorbereich
4 unterer Reflektorbereich
5 direkt bescheinbare Oberfläche des Absorberelementes
6 indirekt bescheinbare Oberfläche des Absorberelementes
7 Einbaukasten (Gehäuse)
8 Abdeckung aus transparentem Material (Glas, Kunststoff)
9 Optische Vergütungsschichte
10 Dämmungsmaterial (Dämmplatte)
11 Vakuum- Absorber-Rohr
12 Flachabsorber (Absorberblech)
13 mittlerer Reflektorbereich

Claims

Patentansprüche
1. Solarkollektor ( 1 ) zur bedarfsangepassten Erfassung von Solarstrahlung mit einem Absorberelement (2) und mindestens einer Reflektorfläche (3) oberhalb des Absorberelementes (2) und mindestens einer Reflektorfläche (4) unterhalb des Absorberelementes (2), gekennzeichnet dadurch, dass der Reflektor im Querschnitt aus einem unteren (4), mittleren (13) und oberen Bereich (3) aufgebaut ist, wobei die Ausrichtung der Reflexionsfläche des unteren Reflektorbereichs (4)
• • bei einem Einfallswinkel der Sonnenstrahlung von über ca. 40° zu einer vollständigen
Rückstrahlung des Lichtes aus dem Reflektor führt,
• bei einem Einfallswinkel unter ca. 25° zu einer vollständigen Reflexion der einfallenden Lichtstrahlen, gegebenenfalls über eine weitere Reflexion über den mittleren Reflektorbereich (13), auf die Unterseite des Absorbers (6) führt und der obere Reflektorbereich (3)
• bei einem Einfallswinkel der Sonnenstrahlung von über ca. 30° eine teilweise Abdeckung des Absorbers (6) vom einfallenden Lichte bewirkt,
• und bei einem Einfallswinkel unter ca. 30° zu einer Reflexion des auf ihn fallenden Lichtes auf den Absorber führt.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Reflektorflächen (3,4,13) mehrteilig aus Plan-Spiegelflächen aufgebaut ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche von 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein quaderförmiger flacher lichteinlassender Kasten (7) als Gehäuse und Träger für mindestens einen Solarkollektor (1) dient, dessen linke und rechte Wandinnenseiten Reflektorflächen aufweisen.
4. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Winkelverstelleinrichtung für mindestens eine Reflektorfläche (3,13,4) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Absorberelement (2) ein Vakuum- Absorber-Rohr (11) dient.
6. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Absorberelement (2) ein Absorberblech eines Flachkollektors (12) dient.
7. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Winkel verStelleinrichtung für das Absorberelement (2) vorgesehen ist.
8. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Seite mindestens eines Absorberelementes (2) eine Photovoltaikzelle trägt.
9. Vorrichtung (1) nach Ansprach 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe zum Transport des Wärmemediums über die Photovoltaikzelle mit Strom versorgt wird.
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