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Dokumentenidentifikation DE102009045430A1 28.04.2011
Titel Sonnenkollektor
Anmelder Fachhochschule Jena, 07745 Jena, DE
Erfinder Kunstmann, Klaus, 07924 Ziegenrück, DE;
Gräfe, Günter, 07774 Camburg, DE;
Bliedtner, Jens, Prof. Dr., 07745 Jena, DE;
Bürger, Wolfgang, Dr., 99089 Erfurt, DE
Vertreter GEYER, FEHNERS & PARTNER (G.b.R.), 07745 Jena
DE-Anmeldedatum 07.10.2009
DE-Aktenzeichen 102009045430
Offenlegungstag 28.04.2011
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.04.2011
IPC-Hauptklasse F24J 2/08  (2006.01)  A,  F,  I,  20091007,  B,  H,  DE
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf einen Sonnenkollektor mit otpischen Elementen, die das einfallende Sonnenlicht konzentrieren und auf von einem Wärmeträgermedium (3) durchflossene Wärmerohre (4.1 bis 4.6) eines Absorbers (2) richten. Der erfindungsgemäße Kollektor ist als Hochleistungskollektor für die thermische sowie in einer Ausgestaltung gleichzeitig auch zur photovoltaischen Energiegewinnung nutzbar.
Beispielsweise umfasst ein erfindungsgemäßer Sonnenkollektor mehrere Zylinderlinsen (1.1 bis 1.6). Transparente Wärmerohre (4.1 bis 4.6) sind in den Fokuslinien der Zylinderlinsen (1.1 bis 1.6) positioniert. Zylinderspiegel (5.1 bis 5.6) reflektieren das Sonnenlicht, das die Wärmerohre (4.1 bis 4.6) transmittiert, zu den Wärmerohren (4.1 bis 4.6) zurück. In den Strahlengängen zwischen den Zylinderlinsen (1.1 bis 1.6) und den Wärmerohren (4.1 bis 4.6) können strahlteilende Elemente (12.1 bis 12.6) vorgesehen sein, die das gebündelte Sonnenlicht in einen langwelligen Teilstrahlengang (13) und einen kurzwelligen Teilstrahlengang (14) aufspalten. Der langwellige Teilstrahlengang (13) ist jeweils auf ein Wärmerohr (4.1 bis 4.6), der kurzwellige Teilstrahlengang (14) jeweils auf eine Solarzelle (15.1 bis 15.2) gerichtet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sonnenkollektor mit optischen Elementen, die das einfallende Sonnenlicht bündeln und konzentriert auf ein von einem Wärmeträgermedium durchflossenes Wärmerohr eines Absorbers richten. Der erfindungsgemäße Kollektor ist als Hochleistungskollektor für die thermische sowie in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung gleichzeitig auch zur photovoltaischen Energiegewinnung nutzbar.

Thermische Sonnenkollektoren, auch als Solarkollektoren bezeichnet, sind an sich bekannt. Sie werden zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärme und deren Übertragung an ein Wärmeträgermedium, etwa Wasser oder eine spezielle Solarflüssigkeit, eingesetzt. Mit Sonnenkollektoren wird nahezu das gesamte Strahlungsspektrum des Sonnenlichtes ausgenutzt, wobei in Europa je nach Jahreszeit, Sonnenschein und Sonnenstand bis zu 1000 W/m2 an Strahlungsenergie einfallen. Der dabei erzielte Wirkungsgrad ist verhältnismäßig hoch und liegt zwischen 60% und 70%. Bis Anfang der neunziger Jahre wurden Sonnenkollektoren meist nur zur Warmwasserbereitung genutzt; gegenwärtig ist die Entwicklung jedoch so weit fortgeschritten, daß auch Anwendungen zur Heizungsunterstützung, zur Schwimmbaderwärmung oder auch zu besonderen industriellen Anwendungen üblich sind.

Es sind verschiedene Bauformen von Sonnenkollektoren bekannt, wobei vor allem Flachkollektoren und Vakuum-Röhrenkollektoren unterschieden werden. Flachkollektoren bestehen im Wesentlichen aus dem Absorber und einem den Absorber umschließenden wärmegedämmten Gehäuse, das mit einer für das Sonnenlicht transparenten Abdeckung versehen ist. Die Wärmedämmung ist zur Reduzierung von Wärmeverlusten notwendig. Der Absorber ist zentraler Bestandteil des Kollektors und besteht prinzipiell aus einem vom Wärmeträgermedium durchflossenen Rohr. Bei Flachkollektoren wird zur Wärmedämmung möglichst gut isolierendes Material verwendet. Bei Vakuum-Röhrenkollektoren befindet sich ein Absorberstreifen in einer evakuierten druckfesten Glasröhre, die Wärmedämmung erfolgt hier aufgrund des Vakuums innerhalb der Glasröhre.

Sonnenkollektoren nehmen Licht annähernd gleichmäßig aus allen Einfallsrichtungen auf. Bei neueren Entwicklungen wird das einfallende Sonnenlicht nach dem Prinzip des Brennspiegels gebündelt und konzentriert auf den Absorber gerichtet, womit sich deutlich höhere Temperaturen im Absorber und – bei guter Wärmedämmung – ein höherer Energieertrag erzielen lassen. So erreichen beispielsweise Kollektoren, bei denen das Sonnenlicht mittels Parabol-Innenspiegeln konzentriert wird, Temperaturen um 400°C, so daß damit Dampfkraftwerke betrieben werden können.

Bekannt ist weiterhin die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mittels einzelner Solarzellen, die in der Regel zu so genannten Solarmodulen verbunden sind. Im gegenwärtigen Entwicklungsstadium wird diese photovoltaische Energieumwandlung wegen der verhältnismäßig hohen Herstellungskosten der Solarzellen und wegen des – im Vergleich mit konventioneller Energieumwandlung – geringeren Wirkungsgrades als noch nicht effektiv eingeschätzt, wobei allerdings die Folgekosten der konventionellen Energiewandlung unberücksichtigt sind.

Der Wirkungsgrad von Solarzellen ist stark temperaturabhängig, folglich sinkt mit zunehmender Erwärmung, die mit der Einstrahlung des Sonnenlichtes auf die Solarzelle einhergeht, deren Wirkungsgrad. Deshalb besteht ein wesentliches Ziel der Weiterentwicklung der Photovoltaik darin, den Wirkungsgrad durch Verringerung der Erwärmung zu verbessern.

Davon ausgehend besteht die Aufgabe der nachfolgend beschriebenen Erfindung darin, Sonnenkollektoren im Hinblick auf höhere Effektivität und Effizienz der Energiegewinnung und damit hinsichtlich besserer Gebrauchseigenschaften weiter zu entwickeln.

Erfindungsgemäß umfaßt ein Sonnenkollektor der eingangs beschriebenen Art mindestens eine Zylinderlinse, die das Sonnenlicht auf eine Fokuslinie fokussiert, wobei das Wärmerohr wenigstens teilweise in oder nahe der Fokuslinie der Zylinderlinse positioniert ist.

Auf diese Weise entsteht mit verhältnismäßig geringem technischen Aufwand ein konzentrierender Kollektor, mit dem eine hohe Temperatur des Wärmeträgermediums erzielt wird und der dadurch im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Gebrauchseigenschaften aufweist.

Dieser Effekt wird insbesondere wirksam bei Mehrfachanordnungen von Zylinderlinsen und Wärmerohren. Bauelemente dieser Art können kostengünstig in großen Stückzahlen gefertigt werden und sind bereits konfektioniert erhältlich. Wärmerohre können beispielsweise in Form von handelsüblichen Rohren mit rund, elliptisch oder nierenförmig ausgebildetem Querschnitt verwendet werden. Denkbar ist es auch, den Absorber als Platte auszuführen, die in ihrem Inneren von einer Vielzahl parallel zueinander verlaufenden, vom Wärmeträgermedium durchflossenen Röhren durchzogen ist.

Dabei liegt es sowohl im Rahmen der Erfindung, wenn die Zylinderlinsen bzw. deren Fokuslinien entweder parallel zu den Wärmerohren oder Röhren ausgerichtet sind oder mit diesen einen Winkel im Bereich zwischen 0° und 90° einschließen.

In einer besonders effektiven Ausführungsform weist die Zylinderlinse in ihrer Längsrichtung einen röhrenförmigen Durchfluß für das Wärmeträgermedium auf. Das Wärmeträgermedium durchströmt hierbei zunächst die Zylinderlinse und erst danach den Absorber. Damit wird erreicht, daß das Wärmeträgermedium beim Durchfluß durch die Zylinderlinse vorgewärmt wird, bereits vorgewärmt in den Absorber gelangt und dort zusätzlich erwärmt wird.

In einer weiteren, besonders effektiven Ausführungsform sind das Wärmerohr des Absorbers und das Wärmeträgermedium transparent ausgeführt, und auf der der Zylinderlinse abgewandten Seite des Absorbers ist ein Reflektor angeordnet, der das Sonnenlicht, das den Absorber transmittiert, auf diesen zurück reflektiert. Damit wird erreicht, daß das Sonnenlicht den Absorber passiert, dabei Wärme auf das Wärmeträgermedium überträgt, dann auf den Reflektor fällt, von dort wiederum gebündelt auf den Absorber zurück reflektiert wird und nun das Wärmeträgermedium zusätzlich erwärmt. Vorteilhaft, jedoch nicht zwingend, ist der Reflektor als Zylinderspiegel ausgebildet, der das Sonnenlicht auf eine Fokuslinie fokussiert, die wiederum entweder parallel zum Wärmerohr ausgerichtet ist oder mit diesem einen vorgegebenen Winkel einschließt.

In die Erfindung eingeschlossen sind Ausgestaltungen, bei denen das Wärmeträgermedium zunächst mehrere Zylinderlinsen durchströmt und erst dann durch den Absorber geleitet wird.

Ist der erfindungsgemäße Sonnenkollektor mit mehreren Zylinderlinsen ausgeführt, können diese auf einem gemeinsamen Träger, vorzugsweise einer Glasplatte, angeordnet sein. Dieser Träger sollte transparent sein und zugleich die Abdeckung des Sonnenkollektors mit der Einstrahlfläche für das Sonnenlicht bilden. Sind mehrere Zylinderspiegel vorgesehen, können diese auf einem gemeinsamen wärmegedämmten Träger angeordnet sein. Optional kann der Träger auch antireflektionsbeschichtet sein, um Reflexionsverluste zu vermeiden.

Weist der Absorber mehrere parallel zueinander verlaufende Wärmerohre auf, so kann in unterschiedlichen Ausgestaltungen vorgesehen sein, daß diese entweder in Parallelschaltung mit einem Wärmetauscher gekoppelt sind, oder es sind mehrere Wärmerohre in Durchflußrichtung des Wärmeträgermediums in Reihe hintereinander geschaltet und mit einem Wärmetauscher gekoppelt, wobei das letzte Wärmerohr dieser Reihe zwecks Ableitung des erwärmten Wärmeträgermediums mit dem Wärmetauscher verbunden ist, während die Einleitung des im Wärmetauscher abgekühlten Wärmeträgermediums in das erste Wärmerohr dieser Reihe erfolgt. Eingeschlossen sind dabei selbstverständlich Ausgestaltungen, bei denen entweder Gruppen von Wärmerohren oder auch die Gesamtzahl der vorhandenen Wärmerohre in Reihe geschaltet sind.

Der Sonnenkollektor besteht aus einer von einem Gehäuse umschlossenen Baueinheit, in welcher der Träger für die Zylinderlinsen, der Träger für die Zylinderspiegel sowie der Absorber mit den Wärmerohren fest miteinander verbunden sind. Um die Wärmeverluste gegenüber der Umgebung zu reduzieren, ist das Gehäuse – außer der transparenten Abdeckung mit der Einstrahlfläche – mit Dämmwerkstoffen ausgekleidet. Alternativ oder zusätzlich kann das Gehäuse vakuumdicht verschlossen und evakuiert sein, um die Wärmedämmung und damit die Energieeffizienz noch weiter zu erhöhen.

Die Zylinderlinsen können wahlweise aus mineralischem Glas bestehen oder auch aus einem Kunststoff gefertigt sein, bevorzugt einem UV-beständigen Kunststoff. Als Wärmeträgermedium ist beispielsweise Wasser vorgesehen, das mit einem Frostschutzmittel versetzt sein kann.

Im Rahmen der Erfindung liegt eine besonders effektive Ausgestaltung des Sonnenkollektors, bei der im Strahlengang zwischen mindestens einer der Zylinderlinsen und einem sich in oder nahe der Fokuslinie dieser Zylinderlinse befindenden Absorber ein strahlteilendes Element zur Aufspaltung des Sonnenlichtes in einen langwelligen und einen kurzwelligen Anteil vorgesehen ist, von denen der langwellige auf den Absorber und der kurzwellige auf eine Solarzelle gerichtet ist. Mit dieser Aufspaltung des Sonnenlichtes ist dessen Nutzung gleichzeitig zur Gewinnung von elektrischem Strom und zur Wärmegewinnung möglich, so daß die verfügbare Sonnenenergie effektiver und effizienter genutzt als bisher im Stand der Technik.

Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors in Mitteleuropa sollte die Einstrahlfläche der Kollektorabdeckung zur Südrichtung zeigen und mit einer horizontalen Aufstellfläche einen Winkel im Bereich von 30° bis 45° einschließen, damit eine optimale Betriebsweise erzielt wird. Eine Verringerung des Ertrages bei Abweichung von dieser Ausrichtung des Kollektors kann begrenzt durch Erhöhung der Anzahl an Zylinderlinsen, Wärmerohren und Zylinderspiegeln ausgeglichen werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

1 das Prinzip des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors anhand einer Zylinderlinse, eines Wärmerohres und eines Zylinderspiegels, jeweils im Querschnitt dargestellt,

2 eine von dem Beispiel nach 1 insofern abweichende Ausführung des Kollektorprinzips, als die Zylinderlinse in ihrer Längsrichtung einen röhrenförmigen Durchfluß für das Wärmeträgermedium aufweist,

3 einen erfindungsgemäßen Sonnenkollektor, der die in 1 gezeigte Anordnung mehrfach aufweist,

4 einen erfindungsgemäßen Sonnenkollektor, der die in 2 gezeigte Anordnung mehrfach aufweist,

5 bis 7 verschiedene Ausgestaltungsbeispiele der Erfindung, bei denen im Strahlengang zwischen jeweils einer Zylinderlinsen und einem Wärmerohr ein strahlteilendes Element vorhanden ist, das das Sonnenlicht in einen langwelligen und einen kurzwelligen Anteil aufspaltet, wovon der langwellige auf das Wärmerohr und der kurzwellige auf eine Solarzelle gerichtet ist,

8 bis 10 verschiedene Varianten der Durchströmung eines Absorbers mit mehreren vom Wärmeträgermedium durchflossenen Wärmerohren, einschließlich der Anbindung der Wärmerohre an einen Wärmetauscher,

11 einen der Sonnenkollektoren nach 3 bis 10 in einer Seitenansicht mit optimaler Ausrichtung zur Einstrahlung des Sonnenlichtes.

1 zeigt das Prinzip des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors anhand einer Zylinderlinse 1, eines Absorbers 2 und eines Zylinderspiegels 5. Der Absorber 2 besteht hier aus einem einzelnen, von Wasser als Wärmeträgermedium 3 durchflossenen Wärmerohr 4.

Zylinderlinse 1, Wärmerohr 4 und Zylinderspiegel 5 sind im Querschnitt dargestellt. Ihre Ausdehnung in Längsrichtung erstreckt sich jeweils senkrecht zur Zeichenebene. Die Zylinderlinse 1 ist mit einer Brennweite fL' von beispielsweise 17,3 mm ausgeführt. Sie sammelt das im Tagesverlauf aus unterschiedlichen Richtungen einfallende Sonnenlicht und richtet dieses gebündelt auf das Wärmerohr 4. In 1 sind beispielhaft eine Einfallsrichtung RV des Sonnenlichtes am Vormittag, die Einfallsrichtung RH bei Sonnenhöchststand am Mittag, und eine Einfallsrichtung RN am Nachmittag eingezeichnet. Der Abstand zwischen der Zylinderlinse 1 und dem Wärmerohr entspricht im Wesentlichen der Brennweite fL' der Zylinderlinse 1. Vergleichbar mit der Fokussierung des Sonnenlichtes mit einem Brennglas wird so das Wärmerohr 4 und damit das Wärmeträgermedium 3 auf eine höhere Temperatur erwärmt als bei herkömmlicher nicht gebündelter Einstrahlung des Sonnenlichtes auf den Absorber 2.

Das Wärmerohr 4 und das darin strömende Wärmeträgermedium 3 sind transparent ausgeführt. Damit wird erreicht, daß das Sonnenlicht den Absorber 2 passiert, dabei Wärme auf das Wärmeträgermedium überträgt, dann auf den Zylinderspiegel 5 fällt, von dort wiederum gebündelt auf den Absorber 2 zurück reflektiert wird und so das Wärmeträgermedium 3 aus Richtung des Zylinderspiegels 5 zusätzlich erwärmt. Der Abstand zwischen dem Absorber 2 und dem Zylinderspiegel 5 entspricht im Wesentlichen der Brennweite fR' des Zylinderspiegels 5 von beispielsweise 20 mm.

Aufgrund des hochkonzentriert auf den Absorber 2 treffenden Sonnenlichtes erfolgt eine effiziente Umwandlung in Wärmeenergie, die mittels des Wärmeträgermediums 3 zu einem Wärmetauscher (hier nicht dargestellten) und von diesem in einen (ebenfalls nicht dargestellten) Speicher übertragen wird.

In einer weiterhin im Rahmen der Erfindung liegenden, in 2 gezeigten Ausführung des Kollektorprinzips weist die Zylinderlinse 1 eine sich in ihrer Längsrichtung, also senkrecht zur Zeichenebene, erstreckende Durchströmöffnung für das Wärmeträgermedium 3 auf. Auch die Brennweite fL' dieser Zylinderlinse 1 ist wieder so ausgeführt, daß das Sonnenlicht gebündelt auf den Absorber 2 gerichtet ist. Das Wärmeträgermedium 3 durchströmt bei dieser Ausführung zunächst die Zylinderlinse 1 und erst danach das Wärmerohr 4.

Mit dieser Konfiguration wird im Unterschied zu der Variante nach 1 erreicht, daß das Wärmeträgermedium 3 bereits beim Durchfluß durch die Zylinderlinse 1 Wärme aus dem Sonnenlicht aufnimmt und erst dann, bereits vorgewärmt, in das Wärmerohr 4 einströmt und dort aufgrund des konzentriert auf den Absorber 2 treffenden Sonnenlichtes zusätzlich erwärmt wird.

In 3 ist der erfindungsgemäße Sonnenkollektor in einer Ausführung dargestellt, welche die in 1 gezeigte Anordnung mehrfach, hier beispielsweise sechsfach, aufweist. Die Zylinderlinsen 1.1 bis 1.6 sind ebenso wie die Wärmerohre 4.1 bis 4.6 und die Zylinderspiegel 5.1 bis 5.6, bezogen auf ihre Längsrichtung, parallel zueinander angeordnet. Diese Mehrfachanordnung ist von einem Gehäuse umgeben, das aus einer transparenten Deckplatte 6, die beispielsweise aus Floatglas besteht, einer wärmegedämmten Grundplatte 7 sowie aus umlaufenden, ebenfalls wärmegedämmten Seitenwänden 8 gebildet ist.

4 zeigt den erfindungsgemäßen Sonnenkollektor aus 3 sinngemäß, jedoch auf Basis der in 2 dargestellten Anordnung mit vom Wärmeträgermedium 3 durchströmten Zylinderlinsen 1.1 bis 1.6.

Die in 5 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors ist besonders vorteilhaft, da hiermit die verfügbare Sonnenenergie deutlich effektiver und effizienter genutzt wird als im Stand der Technik. Wie aus 5 hervorgeht, ist – im Vergleich zu der Darstellung nach 3 – im Strahlengang zwischen den Zylinderlinsen 1.1 bis 1.6 und den sich in den Fokuslinien der Zylinderlinsen 1.1 bis 1.6 befindenden Wärmerohren 4.1 bis 4.6 jeweils ein strahlteilendes Element 12.1 bis 12.6 vorgesehen. Die strahlteilenden Elementen 12.1 bis 12.6 spalten das gebündelt einfallende Sonnenlicht jeweils in einen langwelligen Teilstrahlengang 13 und einen kurzwelligen Teilstrahlengang 14 auf.

Dabei passieren die langwelligen Teilstrahlengänge 13 die strahlteilenden Elemente 12.1 bis 12.6 und sind auf die Wärmerohre 4.1 bis 4.6 gerichtet. Dagegen werden die abgespaltenen kurzwelligen Teilstrahlengänge 14 von den Teilerschichten der strahlteilenden Elemente 12.1 bis 12.6 reflektiert und sind aufgrund der Schrägstellung der strahlteilenden Elemente 12.1 bis 12.6 auf Solarzellen 15.1 bis 15.6 gerichtet. Die Solarzellen 15.1 bis 15.6 befinden sich vorteilhaft in den strahlungsfreien Räumen zwischen den Strahlenbündeln, die, jeweils von den Zylinderlinsen 1.1 bis 1.6 kommend, auf die Wärmerohre 4.1 bis 4.6 gerichtet sind.

Mit dieser Aufspaltung des Sonnenlichtes ist nicht nur dessen Nutzung gleichzeitig zur Wärmegewinnung und zur Gewinnung von elektrischem Strom möglich, sondern es wird darüber hinaus eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Solarzellen 15.1 bis 15.6 erzielt, da mit der Abspaltung des wärmeintensiven langwelligen Anteiles des Sonnenlichtes deren unerwünschte Erwärmung weitestgehend vermieden wird.

In der Zeichenebene der 5 sind die Solarzellen 15.1 bis 15.6 in Seitenansicht dargestellt. Senkrecht zu dieser Zeichenebene, das heißt in der Tiefe dieser Zeichenebene, können mehrere Solarzellen 15.1 bis 15.6 hintereinander angeordnet und vorteilhaft zu einem Solarmodul in Reihe geschaltet sein. Die Solarzellen 15.1 bis 15.6 bzw. Solarmodule des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors sind dann mit den aus dem Stand der Technik bekannten, daher in 5 zeichnerisch nicht dargestellten weiteren Komponenten, wie Akkumulator, Laderegler und Wechselrichter in eine Photovoltaikanlage integriert.

Das in 6 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel nach 5 insofern, als hier auf die Reflektoren in Form der Zylinderspiegel 5.1 bis 5.6 verzichtet ist.

Im Rahmen der Erfindung liegt auch die in 7 gezeigte Ausgestaltung, bei der die Positionen der Solarzellen 15 mit den Positionen der Wärmerohre 4.1 bis 4.6 – im Vergleich zur Darstellung in 5 – getauscht sind. Der Unterschied besteht demzufolge darin, daß jeweils der kurzwellige Teilstrahlengang 14 das strahlteilende Element 12.1 bis 12.6 passiert und auf ein Wärmerohr 4.1 bis 4.6 gerichtet ist, während der abgespaltene langwellige Teilstrahlengang 13 von der Teilerschicht des strahlteilenden Elementes 12.1 bis 12.6 reflektiert und, aufgrund der Schrägstellung des strahlteilendes Element 12.1 bis 12.6, auf ein Wärmerohr 4.1 bis 4.6 gerichtet ist. Die Solarzellen 15.1 bis 15.2 befinden sich auch hier vorteilhaft in strahlungsfreien Räumen des Sonnenkollektors.

Für alle vorgenannten Ausführungsbeispiele gilt, daß die Wärmerohre 4.1 bis 4.6 entweder parallel geschaltet und mit einem Wärmetauscher verbunden sind, oder die Wärmerohre 4.1 bis 4.6 in Reihe geschaltet sind. In diesem Zusammenhang sind in 8 bis 10 verschiedene Varianten der Durchströmung des Sonnenkollektors mit dem Wärmeträgermedium 3 einschließlich der Anbindung eines Wärmetauschers 9 dargestellt, wobei der Übersichtlichkeit halber lediglich die Zylinderlinsen 1.1 bis 1.6 und die Wärmerohre 4.1 bis 4.6 symbolisch durch die Fließrichtungen des Wärmeträgermediums 3 gezeigt sind.

Diesbezüglich ist aus 8 ersichtlich, daß die parallel zu den Zylinderlinsen 1.1 bis 1.6 ausgerichteten Wärmerohre 4.1 bis 4.6 parallel geschaltet in einen Solarkreislauf eingebunden sind, wobei eine Leitung 10 das erwärmte Wärmeträgermedium 3 zum Wärmetauscher 9 transportiert und das im Wärmetauscher 9 abgekühlte Wärmeträgermedium 3 mittels einer sich verzweigenden Leitung 11 zu den Wärmerohren 4.1 bis 4.6 zurück geleitet wird.

In der Darstellung nach 9 sind die Wärmerohre 4.1 bis 4.6 ebenfalls parallel zu den Zylinderlinsen 1.1 bis 1.6 ausgerichtet. Anders als in 8 sind zu einer ersten Gruppe zusammengefaßte Wärmerohre 4.1 bis 4.3 und zu einer zweiten Gruppe zusammengefaßte Wärmerohre 4.4 bis 4.6 jeweils in Reihe hintereinander geschaltet. Beide Gruppen sind über eine Leitung 10, die das erwärmte Wärmeträgermedium zum Wärmetauscher 9 leitet, und eine sich verzweigende Leitung 11, die das im Wärmeträger 9 abgekühlte Wärmeträgermedium 3 zu den Wärmerohren 4.1 bis 4.6 zurück führt, mit dem Wärmetauscher 9 verbunden.

In der Variante nach 10 sind die Wärmerohre 4.1 bis 4.6 nicht parallel zu den Zylinderlinsen 1.1 bis 1.6 ausgerichtet, sondern ihre Ausrichtung schließt, aus der Einstrahlungsrichtung gesehen, mit der Ausrichtung der Zylinderlinsen 1.1 bis 1.6 einen Winkel von beispielsweise a = 45° ein. Hiervon abweichende Winkelgrößen sind vom Erfindungsgedanken eingeschlossen. Während in den weiter oben beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung jedes der Wärmerohre 4.1 bis 4.6 parallel zu der Fokuslinie einer der Zylinderlinsen 1.1 bis 1.6 ausgerichtet ist und damit vollständig in der Fokuslinie liegt, schneiden hier die Wärmerohre 4.1 bis 4.6 die Fokuslinien und liegen demzufolge teilweise in jeweils einer der Fokuslinien.

Diese Ausgestaltungsvariante hat den Vorteil, daß die Strahlung effektiver auf den Flachkollektor gerichtet werden kann. Insbesondere lassen sich damit sehr vorteilhaft andere Grundformen von Kollektoren realisieren, zum Beispiel dreieckförmige oder sechseckförmige. So kann einerseits eine zur Verfügung stehende Dachfläche wesentlich effizienter genutzt werden, andererseits lassen sich so Kollektoren in Modulbauweise aufbauen und beliebig in Reihe schalten.

In 11 ist der Sonnenkollektor nach 3 oder 4 in Seitenansicht in einer auf Mitteleuropa bezogenen Vorzugsausrichtung relativ zum einfallenden Sonnenlicht dargestellt. Dabei zeigt die Einstrahlfläche der Kollektorabdeckung nach Süden, und sie schließt mit einer horizontalen Aufstellfläche 16 einen Winkel im Bereich von 30° bis 45° ein.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Kollektors besteht darin, daß für die Bauelemente wie Linsen und Spiegel kostengünstig Halbzeuge verwendet und in ihrer Längsausdehnung den jeweiligen räumlichen Gegebenheiten unter Berücksichtigung einer optimalen Dachintegration angemessen werden können. Vorzugsweise kommen dabei Längen von 1 m bis 1,5 m in Betracht.

Bezugszeichenliste

1, 1.1 bis 1.6
Zylinderlinsen
2
Absorber
3
Wärmeträgermedium
4, 4.1 bis 4.6
Wärmerohre
5, 5.1 bis 5.6
Zylinderspiegel
6
Deckplatte
7
Grundplatte
8
Seitenwände
9
Wärmetauscher
10, 11
Leitungen
12.1 bis 12.6
strahlteilende Elemente
13
langwelliger Teilstrahlengang
14
kurzwelliger Teilstrahlengang
15.1 bis 15.6
Solarzellen
16
horizontale Aufstellfläche


Anspruch[de]
Sonnenkollektor mit einem oder mehreren optischen Elementen, die das einfallende Sonnenlicht konzentrieren und auf ein von einem Wärmeträgermedium (3) durchflossenes Wärmerohr (4) eines Absorbers (2) richten, umfassend

– mindestens eine Zylinderlinse (1), die das Sonnenlicht auf eine Fokuslinie fokussiert, wobei

– das Wärmerohr (4) wenigstens teilweise in oder nahe der Fokuslinie positioniert ist.
Sonnenkollektor nach Anspruch 1, bei dem die Zylinderlinse (1) eine Durchflußöffnung für das Wärmeträgermedium (3) aufweist, wobei

– das Wärmeträgermedium (3) zunächst die Zylinderlinse (1) und danach den Absorber (2) durchströmt.
Sonnenkollektor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem

– der Absorber (2) transparent ausgeführt ist, und

– auf der der Zylinderlinse (1) abgewandten Seite des Absorbers (2) ein Reflektor angeordnet ist, der das transmittierende Sonnenlicht auf den Absorber (2) zurück reflektiert.
Sonnenkollektor nach Anspruch 3, bei dem

– der Reflektor als Zylinderspiegel (5) ausgebildet ist, der das Sonnenlicht auf eine Fokuslinie fokussiert, und

– der Absorber (2) in der Fokuslinie des Zylinderspiegels (5) positioniert ist.
Sonnenkollektor nach einem der vorgenannten Ansprüche, umfassend

– mehrere Zylinderlinsen (1.1, 1.2, ...1.n), die parallel zueinander ausgerichtet und auf einem gemeinsamen transparenten Träger, bevorzugt einer Glasplatte, besonders bevorzugt einer Floatglasplatte, angeordnet sind,

– mehrere in Durchflußrichtung des Wärmeträgermediums (3) miteinander verbundene Wärmerohre (4.1, 4.2, ...4.n), sowie mehrere auf einem gemeinsamen Träger angeordnete Zylinderspiegel (5.1, 5.2, ...5.n).
Sonnenkollektor nach Anspruch 5, bei dem die Zylinderlinsen (1.1, 1.2, ...1.n), die Wärmerohre (4.1, 4.2, ...4.n) und die Zylinderspiegel (5.1, 5.2, ...5.n) innerhalb eines wärmegedämmten Gehäuses zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind. Sonnenkollektor nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die Brennweite der Zylinderlinsen (1.1, 1.2, ...1.n) fL' = 17,3 mm und die Brennweite der Zylinderspiegel (5.1, 5.2, ...5.n) fR' = 20 mm beträgt. Sonnenkollektor nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem Wasser als Wärmeträgermedium (3) vorgesehen ist. Sonnenkollektor nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem im Strahlengang zwischen den Zylinderlinsen (1.1 bis 1.6) und den sich in oder nahe der Fokuslinie dieser Zylinderlinsen (1.1 bis 1.6) befindenden Wärmerohren (4.1 bis 4.6) jeweils ein strahlteilendes Element (12.1 bis 12.6) zur Aufspaltung des Sonnenlichtes in einen langwelligen Teilstrahlengang (13) und einen kurzwelligen Teilstrahlengang (14) vorgesehen ist, wobei der langwellige Teilstrahlengang (13) auf das jeweilige Wärmerohr (4.1 bis 4.6) und der kurzwellige Teilstrahlengang (14) auf jeweils eine Solarzelle (15.1 bis 15.6) gerichtet ist. Verwendung des Sonnenkollektors nach einem der vorgenannten Ansprüche in Mitteleuropa bei Ausrichtung der Einstrahlfläche nach Süden, wobei die Einstrahlflächen mit einer horizontalen Aufstellfläche (16) einen Winkel im Bereich von 30° bis 45° einschließt.






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