DE2511740A1 - Solar energy collector for house roof - has large number of mirror plates reflecting radiation onto common collector - Google Patents

Abstract

The collector is mounted on a south facing sloping roof. It is built from a large number of rectangular reflecting mirrors (2) which are placed between the roof joists (1). Each mirror is mounted on a lever arm (3) and all the arms are moved together from a motor (4) in unison with the movement of the sun. They are arranged to reflect incident radiation onto a collector tube (7) through which water is circulated. The energy from all the reflectors is concentrated on a single collector which is thus raised to a higher temperature and occupies less space than a collector receiving radiation directly. The tilting of the mirrors ensures that radiation is concentrated on the same spot at all times of day.

Description

Translated fromGerman

RSFLEKORSYST4 ZUR GnirNfUNG VON SONNENENERGIE . RSFLEKORSYST4 FOR GIVING SOLAR ENERGY.

Die Erfindung betrifft ein Reflektorsystem zur Gewinnung von Sonnenenergie,vorzugsweise einsetzbar zur Hausheizung und Warmwasserbereitung.The invention relates to a reflector system for generating solar energy,preferably used for house heating and hot water preparation.

Bei der Gewinnung von Sonnenenergie zur Rausheizung und Warmwasserbereitungmussen folgende Voraussetzungen erfüllt sein: - Die Energie muß auf einem Temperaturniveauvon über 80 ° C gewonnen werden - Die Energiegewinnung mup das ganze Jahr hindurch,insbesondere im Winter gewahrleistet sein.When generating solar energy for heating out and hot water preparationthe following requirements must be met: - The energy must be at a temperature levelcan be obtained from over 80 ° C - energy must be generated all year round,be guaranteed especially in winter.

- Die Auffangeinrichtungen ( hier Reflektorsystem ) müssen ohne wesentlicheBeeinträchtigung der Umwelt am Ort des Energiebedarfs installiert werden können.- The fall arrest devices (here reflector system) must be without essentialImpairment of the environment can be installed at the place of energy demand.

Es ist bekannt zur Erfüllung dieser Erfordernisse schwarze Kollektorflachen,welche direkt von der Sonne bestrahlt werden, auf den Dachflachen zu installieren(VDI-Nachrichten vom 23.8.74, Seite 1). Diese direkt bestrahlten Kollektoren strahlentrotz wärmedämmender Abdeckung mit Glas oder anderen durchsichtigen Materialieneinen Grobteil der aufgefangenen Warme wieder ab. Dadurch wird ihre Effektivitätstark reduziert und es ist insbesondere in den Wintermonaten nicht moglich nennenswerteEnergiemengen auf dem gewünschten Temperaturniveau zu gewinnen. Andere Lösungsmöglichkeiten(Umwelt 2/74 Seite 28bis 32) sind entweder zu teuer (Solarzellen) oder zu sperrig(Parabolspiegel).Black collector surfaces are known to meet these requirements,which are directly irradiated by the sun, to be installed on the roof surfaces(VDI-Nachrichten of August 23, 1974, page 1). These directly irradiated collectors radiatein spite of a heat-insulating cover with glass or other transparent materialsa large part of the collected heat. This will make their effectivenessgreatly reduced and it is not possible to mention particularly in the winter monthsTo gain amounts of energy at the desired temperature level. Other possible solutions(Environment 2/74 pages 28 to 32) are either too expensive (solar cells) or too bulky(Parabolic mirror).

Letztere stören beim Einsatz zur Hausheizung das Gesamtbild einerSiedlung und werfen zusätzlichen Schatten , der die Nachbarn beeinträchtigt. Siemüssen zur Aufnahme der Windkräfte stabil (und teuer) ausgelegt sein und sind schwerzu reinigen.The latter disturb the overall picture when used for house heatingSettlement and cast additional shadows that affect the neighbors. shemust be designed to be stable (and expensive) to absorb the wind forces and are heavyto clean.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einerseits Energieausbeuteund Temperaturniveau zu Zeiten niedrigen Sonnenstandes zu erhohen, andererseitseine praktische, billige und umweltfreundliche Anordnung des Auffangsysteis zu ermöglichen.The invention is based on the object, on the one hand, of energy yieldand to increase the temperature level at times when the sun is low, on the other handto enable a practical, cheap and environmentally friendly arrangement of the collecting system.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Anzahlsteifenformiger Relektorlamellen. parallel zueinander im Dachstuhl eingebaut, dieSonnenstrahlung auf eine parallel über den Reflektorlamellen liegende, streifenförmigeKollektorfläche bündelt Die Kollektorfläche ist verglichen mit der Gesamtflacheder Reflektorlamellen klein, sodap die von der warmen Hollektorflache zurückgestrahlteWärme klein ist gegenüber der eingestrahlten Wärme. So können übermäßige Wärmeverlustevermieden werden. Die Reflektorlamellen liegen in ihrer Langsachse parallel zurDachneigung, vorzugsweise nach Süden.Sie sind derart in der Längsachse , kippbar,dap die Sonnenstrahlung beim Lauf der Sonne von Osten nach Westen stets auf dieEollektorfläche reflektiert wird. Änderungen des Höhenstandes der Sonne wirken sichdadurch aus, daß das reflektierte, streifenförmige Strahlenbündel entlang der Längsachseder Kollektorfläche verschoben wird. Die Verschiebung ist umso größer, je weiterder Abstand zwischen Kollektorfläche und Reflektorlamelle ist.Die Kollektorflachemuß deshalb zur Ausnutzung der gesamten reflektierten Strahlung bei jeder Sonnenhöhelänger sein als die Reflektorlamellen. Die zusatzliche Kollektorlange bedingt zusätzlicheWärmeverluste. Um die zusatzliche Kollekborlänge gering zu halten soll der Abstandzwischen Kollektorfläche und Reflektorlamellen gering sein im Verhältnis zu derLänge derselben.This object is achieved according to the invention in that a numberstiff-shaped reflector lamellas. installed parallel to each other in the roof structure, theSolar radiation on a strip-shaped layer lying parallel above the reflector bladesCollector area bundles The collector area is compared to the total areathe reflector lamellas are small, so that the ones reflected back from the warm collector surfaceHeat is small compared to the radiated heat. So can excessive heat lossbe avoided. The reflector blades are parallel to the longitudinal axisRoof pitch, preferably to the south, they can be tilted in the longitudinal axis,dap the solar radiation as the sun moves from east to west always on theEollektorfläche is reflected. Changes in the altitude of the sun have an effectcharacterized in that the reflected, strip-shaped bundle of rays along the longitudinal axisthe collector surface is moved. The further the shift, the greateris the distance between the collector surface and the reflector lamellamust therefore to utilize the entire reflected radiation at every height of the sunbe longer than the reflector blades. The additional collector length requires additionalHeat losses. In order to keep the additional collector length small, the distancebetween the collector surface and the reflector lamellas must be small in relation to theLength of the same.

Die Reflektorlamellen sind zum Schutz vor Witterungseinflüssen (Windlast,Schneelast. Verschmutzung) erfindungsgemaa mit durchsichtigen Platten abdeckbar.So ist es möglich die Reflektorlamellen und ihren Verstellmechanismus schwach auszulegenund billig zu erstellen. Außerdem ist hierbei nur die äußere glattflächige Abdeckungzu reinigen, was mit einer mechanischen Sprüh- und Wischeinrichtung leicht zu automatisierenist. Die durchsichtige Abdeckung ersetzt die normalerweise ubliche Dachabdeckungmit Dachziegeln oder Ähnlichem.The reflector lamellas are designed to protect against the effects of the weather (wind load,Snow load. Soiling) according to the invention can be covered with transparent plates.So it is possible to make the reflector blades and their adjustment mechanism weakand cheap to create. In addition, only the outer smooth-surfaced cover is hereto clean, which can easily be automated with a mechanical spraying and wiping deviceis. The transparent cover replaces the usual roof coverwith roof tiles or the like.

Die Reflektorlamellen können gerade sein oder quer zur Längsachsederart gewölbt, dap eine Brennlinie etwa auf Höhe der Kollektorfläche entsteht.Im ersteren Falle muR die einzelne Reflektorlamelle schmaler sein als die Eollektorflächeund im zweiten Falle kann sie breiter sein.The reflector blades can be straight or transverse to the longitudinal axisarched in such a way that a focal line is created approximately at the level of the collector surface.In the first case, the individual reflector lamella must be narrower than the collector surfaceand in the second case it can be wider.

Je nach Himmelsrichtung des Dachabfalles, Dachneigungswinkel und Jahreszeitändert sich die zu einer bestimmten Tageszeit erforderliche Stellung der Reflektorlamellen.Obwohl sich die genaue zeitliche Stellungsänderung huber den Tages- und Jahresablauffür jeden Einsatzfall exakt berechnen läßt, ist eine rein zeitgesteuerte Regelungder Reflektorstellung nicht sinnvoll. Der hierzu erforderliche Regelmechanismusmüßte für jeden neuen Einsatzfall neu angepasst werden, er wäre komplisiert undwürde intensiver Wartung bedürfen (z.B. Nachstellung bei Zeitabweichung, Stromausfall):Außerdem würde er höhere Anforderungen bei der Einhaltung der Baumaße (Dachneigung)und bezüglich der Verzugsfreiheit der Dach- und Reflektorstruktur bedingen.Depending on the direction of the roof waste, the angle of inclination and the time of yearthe position of the reflector blades required at a certain time of the day changes.Although the exact temporal change of position differs from the daily and yearly coursecan be calculated exactly for each application is a purely time-controlled regulationthe reflector position does not make sense. The control mechanism required for thiswould have to be adjusted for each new application, it would be complicated andwould require intensive maintenance (e.g. readjustment in the event of time deviation, power failure):In addition, he would have higher requirements for compliance with the structural dimensions (roof pitch)and with regard to the freedom from distortion of the roof and reflector structure.

Eine Regelung durch direkte Einwirkung der Sonnenstrahlung wird durchden Umstand erschwehrt, daß die Steuerung bei Sonnenbedeckung unterbrochen wird.Beim Aufklaren ist dann die Iststellung so weit von der Sollstellung entfernt, daßein für die Steuerung ausreichendes Licht-oder Wärmesignal schwer bestimmbar istund zum Nachstellen der Reflektorlamellen eine lange Zeit benötigt wird.A regulation by direct action of the solar radiation is throughprevents the fact that the control is interrupted when the sun is covered.When clearing up, the actual position is so far removed from the target position thata light or heat signal that is sufficient for the control is difficult to determineand it takes a long time to readjust the reflector blades.

Die Aufgabe der Regelung wird erfindungsgemä dadurch gelöst, da eineZeitsteuerung für die ungefäre Einhaltung der Soll stellung der Reflektorlamellensorgt. Eine übergeordnete, direkt von-der Sonnenstrahlung gelenkte Steuerung regeltdie genaue Position der Reflektorlamellen und stellt die Zeitsteuerung nach, dasheist sie bewirkt den jahreszeitlichen Angleich der Zeitsteuerung.The object of the regulation is achieved according to the invention, since aTime control for the approximate adherence to the target position of the reflector bladescares. A higher-level control system, which is steered directly by the solar radiation, regulatesthe exact position of the reflector blades and adjusts the time controlThat is, it effects the seasonal adjustment of the time control.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden beschrieben:Abb.l zeigt einen Ausschnitt aus einem nach Süden geneigten Dach in dem ein erfindungsgemäßesReflektorsystem eingebaut ist. Die Reflektorlamellen (2) sind zwischen den Dachsparren(1) angeordnet.An embodiment of the invention is described below:Fig.l shows a section of a south-sloping roof in which an inventiveReflector system is installed. The reflector blades (2) are between the rafters(1) arranged.

Die Reflektorlamellen sind jeweils so gekippt, daß die auf sie fallendeSonnenstrahlung auf die rohrförmig ausgebildete gollektorflache (7) reflektiertwird. Die in Abb.l gezeigte Stellung der Reflektorlsmellen entspricht der für 9Uhr Tageszeit am Tag der Tag- und Nachtgleiche erforderlichen Stellung. Die einzelnenReflektorlamellen sind durch ein Gestänge (3) derart verbunden, daß eine änderungder Eippstellung nur für alle Reflektorlamellen gleichzeitig um den gleichen Betragmöglich ist. Der Antieb (4) kippt die Reflektorlamellenmit einerdurch die Zeitsteuerung bedingten Geschwindigkeit von 715 grad pro Stunde von der9-Uhr-Stellung bis zur 15-Uhr-Stellung.The reflector blades are tilted so that the falling on themSolar radiation is reflected on the tubular collector surface (7)will. The position of the reflector strips shown in Fig. 1 corresponds to that for 9Clock time of day on the day of the equinox required position. The single onesReflector blades are connected by a linkage (3) in such a way that a changethe Eippstellung only for all reflector blades at the same time by the same amountis possible. The drive (4) tilts the reflector bladeswith adue to the timing of 715 degrees per hour from the9 o'clock position to 3 o'clock position.

Scheint während dieser Zeit die Sonne, so wird die Sonnenstrahlungbei richtiger Stellung der Reflektorlamellen auf die rohrförmige Kollektorflachereflektiert. Weicht die Stellung der Reflektorlamellen etwa bedingt durch jahreszeitlicheEinflüsse, oder durch Ungenauigkeiten in der Zeitsteuerung von der richtigen Stellungab, so fallt die reflektierte Strahlung auf einen der beiden Sensoren (9undlO).Je nachdem auf welchen Sensor die Srahlung fällt wird der Antrieb vor oder zurückgestelltund zwar so lange, bis beide Sensoren gleiche Signale liefern. Wird eine derartigeNachstellung zwischen 11.55 Uhr und 12.05 mir notwendig, so wird gleichzeitig dieZeitsteuerung nachgestellt, sodaß die neue Stellung zur gleichen Zeit des folgendenTages wieder erreicht wird. Nach Erreichen der 15-Uhr-Stellung werden die Reflektorlamellenin die 9-Uhr-Stellung zurückgekippt.Heizt sich der an der Kollektorflache befestigteTemperatursensor (11) durch die auftreffende Sonnenstrahlung auf, so wird Kühlwasserdurch das Kollektorrohr (7) geschickt. Kühlt sich der Temperatursensor auf unter900C ab, so wird das Kühlwasser abgeschaltet und das Rohrsystem entleert sich wieder.Durch das Entleeren des Rohrsystems wird ein Einfrieren in Kälteperioden vermieden.Dasym Kollektorrohr erwarmte Wasser wird gespeichert und zu Zeiten des Wärmebedarfsin den Heizeinrichtungen des Hauses abgekühlt. Die durchsichtige Abdeckung (5) schutztdie Reflektorlamellen vor Witterungseinflüssen.If the sun shines during this time, the solar radiation will bewith the correct position of the reflector blades on the tubular collector surfacereflected. Does the position of the reflector blades change due to seasonal factorsInfluences, or due to inaccuracies in the timing of the correct positionfalls, the reflected radiation falls on one of the two sensors (9 and 10).Depending on which sensor the radiation falls on, the drive is set forwards or backwardsuntil both sensors deliver the same signals. Will such aAdjustment between 11.55 a.m. and 12.05 p.m. is necessary for me, so theTime control adjusted, so that the new position at the same time of the followingDay is reached again. When the 3 o'clock position is reached, the reflector blades areTilted back to the 9 o'clock position. The one attached to the collector surface heats upThe temperature sensor (11) is activated by the incident solar radiation, so cooling water becomessent through the collector pipe (7). If the temperature sensor cools down900C, the cooling water is switched off and the pipe system empties again.Emptying the pipe system prevents freezing in cold spells.The water heated up by the collector pipe is stored and used when there is a need for heatcooled in the heating devices of the house. The transparent cover (5) protectsthe reflector blades from the elements.

Abb.2 zeigt ein Haus mit JsODachneigung, in dessen Dach 3 Sektionengemaß Abb.l eingebaut sind. Die Kollektorrohre (7) werden uber Stützen(8} gehalten,Uber die auch das Kühlwasser zu- und abgefuhrt wird. Die Strahlengang¢ für die extremenSonnenstande des Jahres sind fur 50°nördliche Breite eingetragen. Bei Xnderung desSonnenstandes zwischen diesen Extremstellungen verschiebt sich der Punkt des Strahlungseinfallesvon (12) nach (13). Der Abstand zwischen (12)-und (13) ist klein gegenüber der Gesamtiangedes Kollektorrohres. Um diesen Abstand mufr das Kollektorrohr langer sein als dieReflektorlamellen.Fig. 2 shows a house with a sloping roof with 3 sections in the roofare installed according to Fig.l. The collector pipes (7) are held by supports (8},Via which the cooling water is also supplied and discharged. The beam path ¢ for the extremeThe positions of the sun for the year are entered for 50 ° north latitude. When changing theThe position of the sun between these extreme positions shifts the point of incidence of radiationfrom (12) to (13). The distance between (12) and (13) is small compared to the total lengthof the collector pipe. The collector pipe must be longer than that by this distanceReflector blades.

Claims (7)

Translated fromGerman

Patentansprüche.Claims.1. Reflektorsystem zur Gewinnung von Sonnenenergie vorzugsweise einsetzbarzur Hausheizung und zur Warmwas serbereiturgi dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahlstreifenförmiger Reflektorlamellen, in ihrer Längsachse kippbar, vorwiegend nachSüden ausgerichtet die Sonnenstrahlung auf eIne streifenförmige Kollektorflächebündelt.1. Reflector system for the generation of solar energy can be used preferablyfor house heating and for Warmwas serbereiturgi characterized in that a numberstrip-shaped reflector blades, tiltable in their longitudinal axis, mainly afterThe solar radiation is directed south onto a strip-shaped collector surfacebundles.2. Reflektorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daS dieReflektorlamellen in ihrer Längsachse vorwiegend nach Süd Ost bis Süd-West ausgerichtetsind.2. reflector system according to claim 1, characterized in that theThe longitudinal axis of the reflector blades is mainly oriented to the south-east to south-westare.3. Reflektorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das dieReflektorlamellen in ihrer Längsachse parallel zur Dachneigung in Dächern eingebautsind, die nach Süd-Ost bis Süd-West abfallen.3. reflector system according to claim 2, characterized in that theReflector blades installed in roofs along their longitudinal axis parallel to the roof pitchthat slope south-east to south-west.4. Reflektorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da dieReflektorlamellen mit einer durchsichtigen Abdeckung abgedeckt sind.4. reflector system according to claim 2, characterized in that theReflector blades are covered with a transparent cover.5. Reflektorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daS derAbstand zwischen Kollektorfläche und Reflektorlamellen klein ist gegenüber der Längederselben.5. reflector system according to claim 2, characterized in that theThe distance between the collector surface and the reflector blades is small compared to the lengththe same.6. Reflektorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieSteuerung der Reflektorlamellen uber eine zeitabhangige Steuerung und über eineubergeordnete von der Sonnenstrahlung gelenkte Steuerung bewerkstelligt wird.6. reflector system according to claim 2, characterized in that theControl of the reflector blades via a time-dependent control and via aSuperordinate control directed by the solar radiation is accomplished.7. Reflektorsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, da diezeitabhängige Steuerung von der durch die Sonnenstrahlung gelenkten Steuerung nachgestelltwird.7. reflector system according to claim 6, characterized in that thetime-dependent control adjusted by the control directed by the solar radiationwill.