[Patentansprüche]
1. Sonnenkollektor zum Fokussieren und übertragen von Licht (9), dadurch gekennzeichnet, dass er aus mindestens einer transparenten Kugel (1) besteht, die sonnenstandsabhängig einen Brennpunkt (5) auf einer sphärischen Fläche außerhalb der Kugel (1) erzeugt und eine mechanische Vorrichtung (2, 3, 4, 8) angeordnet ist, die dem Brennpunkt (5) folgt und ihn in jeder durch die Sonne vorgegebenen Position fi- xiert.
2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Vorrichtung (2, 3, 4, 8) aus zwei der Wölbung der Kugel (1) an- gepasste und um 90° gegeneinander versetzte Gleitschienen (2, 3) besteht auf denen eine Halterung (4) zur Verfolgung des Brennpunktes (5) angeordnet ist.
3. Sonnenkollektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Halterung (4) zur Verfolgung des Brennpunktes (5) fest mit der Kugel (1) ver- bunden ist und die Kugel drehbar gelagert ist.
4. Sonnenkollektor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Vielzahl von transparenten Kugeln (1) in matrixförmiger Anordnung in einem Gehäuse (16) ein flacher Sonnenkollektor (15) gebildet ist.
5. Sonnenkollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (1) zur Hälfte aus einer Abdeckplatte (17) des Gehäuses (16) herausragen.
6. Sonnenkollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (1) fest mit der Abdeckplatte (17) des Gehäuses (16) verbunden sind.
7. Sonnenkollektor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Vorrichtungen (2, 3, 4, 8) aller Kugeln (1) direkt oder indirekt miteinander verbunden und synchron bewegbar sind.
8. Sonnenkollektor nach Anspruch 1 bis 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Kugeln (1) eines flachen Sonnenkollektors (15) über eine mechani- sehe Vorrichtung (8) bewegbar sind.
9. Sonnenkollektor nach Anspruch 1 bis 4 und 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren mechanischen Vorrichtungen (2, 3, 4, 8) über einen Lichtsensor (12) und entsprechenden Antriebsmotoren (7) zentral ansteuerbar und so automatisch die Brennpunkte (5) aller Kugeln (1) in ihrer vorgegebenen Position fixierbar sind.
10. Sonnenkollektor nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass an den Positionen, an denen die Brennpunkte (5) fixiert sind, unterschiedliche Einrichtungen wie z.B. Solarzellen installiert sind.
11. Sonnenkollektor nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass in den vorgegebenen Positionen Lichtleiter (6) installiert sind, in die das fokussierte Licht (9) der Sonne hineinstahlt und über die Lichtleiter (6) an jeden beliebigen Ort transportierbar sind.
12. Sonnenkollektor nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Brennpunkt (6) direkt auf einen Lichtleiter (6) trifft.
13. Sonnenkollektor nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zur
Lichtaufnahme in den Lichtleiter (6) eine konisch erweiterte verspiegelte öffnung (10) angeordnet ist, in die der Brennpunkt (5) hineinstahlt.
14. Sonnenkollektor nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass kurz vor dem Brennpunkt (5) eine Zerstreuungslinse (11) angeordnet ist, welche zum Einkoppeln in den Lichtleiter (6) das zum Brennpunkt (5) führende Licht (9) in ein parallelähnliches Licht umwandelt.
15. Sonnenkollektor nach Anspruch 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Sonnenkollektor (15) in die Lichtleiter (6) eingespeiste Licht (9) mit Hilfe von Lichtleiterschaltelementen (13) an unterschiedliche Orte oder Anwendungen zuführbar ist. |
[Patentanmeldung]
[Bezeichnung der Erfindung:]
Sonnenkollektor zur Energiegewinnung durch Konzentration von Sonnenlicht
[Beschreibung]
Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor zur Energiegewinnung durch Konzent- ration von Sonnenlicht und dessen Nachführung bzw. Transport.
[Stand der Technik]
Die Nutzung von konzentriertem Sonnenlicht zur Energiegewinnung erlangt eine immer größere Bedeutung. Der jetzige Stand der Technik stellt sich gegenwärtig so dar, dass Licht mit Hilfe von Parabolspiegeln bzw. Sammellinsen in einem Brennpunkt gebündelt wird. Der Nachteil ist, dass diese Systeme der Sonnenlichtbündelung und dem ständig wechselnden Sonnenstand nachgeführt werden müssen. Dies verlangt in der Regel große mechanisch bewegte Teile, die sehr platzaufwendig und schwer sind. Eine Nutzung für den alltäglichen Hausgebrauch, wie man ihn z.B. von anderen Sonnenkollektoren (Warmwasserkollektoren, Solarkollektoren) her kennt, ist mit diesen Systemen nicht möglich. Außerdem ist es erforderlich, um vielseitige Anwendungsmöglichkeiten zu gewährleisten, das Sonnenlicht mit Hilfe von Lichtleitern effektiv zu transportieren.
Aus der DE 10 2004 063 853 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Sammlung von Licht, dessen Transport und der Abgabe des eingesammelten Lichtes an einem wählbaren anderen Ort zu Beleuchtungszwecken bekannt. Durch eine oder mehrere Sammellinsen wird einfallendes Licht, vorzugsweise Sonnenlicht, zu dem jeweiligen Brennfleck der einzelnen Linsen hin derart fokus- siert, dass ein möglichst großer Anteil des fokussierten Lichtes in einen oder
mehrere Lichtleiter eintritt, durch die Lichtleiter geleitet wird und am anderen Ende zu Beleuchtungszwecken zur Verfügung steht.
Auch diese Vorrichtung hat den Nachteil, dass für eine effektive Nutzung über den ganzen Tag das gesamte Linsensystem der Sonne nachgeführt werden muss. Außerdem lassen sich mit diesem System keine großflächigen Sonnenkollektoren zur Anordnung auf Dächern realisieren.
[Aufgabe der Erfindung]
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sonnenkollektor zur Energiegewinnung durch Konzentration von Sonnenlicht zu schaffen, der für eine effektive Nutzung der Sonnenenergie eine flächenhafte Anordnung in einem Gehäuse erlaubt und in seiner Größe und seinem Aufbau überall, wie z.B. auf Dächern von Einfamilienhäusern einsetzbar ist. Außerdem soll er keine äußerlich sichtbaren mechanischen Elemente besitzen, die sich nur störend auf dachintegrierte Flächen auswirken. Weiterhin soll er die Möglichkeit besitzen, hohe Lichtkonzentrationen zu jedem beliebigen Ort zu transportieren, um damit unterschiedlichste Anwendungsbereiche abdecken zu können.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Der Sonnenkollektor zum Fokussieren und übertragen von Licht besteht aus mindestens einer transparenten Kugel, die sonnenstandsabhängig einen Brennpunkt auf einer sphärischen Fläche außerhalb der Kugel erzeugt.
Gegenüber dem Prinzip der Lichtbündelung mittels Linsen benutzt die Erfindung zur Sonnenlichtkonzentration eine Kugel. Eine Linse fokussiert das Licht in einem Brennpunkt auf einer Brennebene, wobei sich der Einfallswinkel des parallelen Lichtes (der Sonnenstand verändert sich) ändert und der Brennpunkt auf der Brennebene wandert und unscharf wird. Um das zu verhindern muss die Linse dem Sonnenstand nachgeführt werden.
Demgegenüber wird in der vorliegenden Erfindung das Licht mit einer transparenten Kugel fokussiert. Bei einer Kugel existiert keine Brennebene, denn der Brennpunkt bewegt sich in einen konstanten Abstand zur Kugel um diese herum. Deshalb ist bei einer Kugel lediglich eine mechanische Vorrichtung zu schaffen, die dem Brennpunkt folgt und ihn in jeder, durch die Sonne vorgegebenen Position fixiert.
Werden nun eine Vielzahl von transparenten Kugeln, die einen geringen Durchmesser besitzen, matrixförmig auf einem Träger angeordnet, wird ein flacher Sonnenkollektor gebildet, der der üblichen integrierbaren Baugröße von handelsüblichen Warmwasserkollektoren entspricht. Er kann somit fest in Dach- oder Fassadenelementen installiert werden und besitzt äußerlich keine mechanischen störenden Elemente. Trotz ständig ändernden Sonnenstand ist er in der Lage, das direkte Sonnenlicht zu fokussieren und konzentriert zu nutzen. Bei Einspeisung in einen Lichtleiter kann die Sonnenenergie an jeden beliebigen Ort geführt werden, wo das konzentrierte Licht mittels Lichtleiterschalter unterschiedliche Aufgaben erfüllen kann.
Bei der matrixförmigen Anordnung der Kugeln auf einem Träger können die mechanischen Vorrichtungen zum Folgen der Brennpunkte aller Kugeln direkt oder indirekt miteinander verbunden und synchron beweg werden.
Es ist aber auch denkbar, an den Positionen, an denen die Brennpunkte fixiert sind, statt der Lichtleiter andere Einrichtungen wie z.B. Solarzellen zu installieren.
[Beispiele]
An Hand von Zeichnungen werden der Aufbau und die Wirkungsweise der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen flächenhaften Sonnenkollektor bestehend aus einer Vielzahl lichtsammelnder transparenter Kugeln in einer Vorder- und Seitenansicht sowie einer Seitenansicht mit Andeutung einer integrierten Mechanik,
Fig. 2 das Verhalten eines Brennpunktes a) bei einer Linse und b) einer
Kugel,
Fig. 3 ein mechanisches Grundgerüst mit einer Einrichtung zum Folgen des
Brennpunktes, Fig. 4 ein mechanische Grundgerüst als Gesamtheit mit mechanischen
Verbindungselementen und Antriebsmotoren,
Fig. 5 die Beweglichkeit der Mechanik bei Einspeisung in einen integrierten
Lichtleiter,
Fig. 6 die Beweglichkeit einer fest installierten Halterung auf einer drehba- ren Kugel,
Fig. 7 verschiedene Variationsmöglichkeiten einer Halterung für die
Aufnahme des Lichtleiters und
Fig. 8 die Darstellung einer möglichen Anwendung der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein flächenhafter Sonnenkollektor 15 gemäß der Erfindung bestehend aus einer Vielzahl lichtsammelnder transparenter Kugeln 1 in einer Vorder- und
Seitenansicht dargestellt.
In einer weiteren Seitenansicht ist im Schnitt die zum Folgen der Brennpunkte 5 eingesetzte integrierte Mechanik zu erkennen. Die Mechanik besteht, jeweils für eine Kugel 1 , aus einer ersten Gleitschiene 2, einer zweiten Gleitschiene 3 und einer Halterung 4 zur Einspeisung in einen Lichtleiter 6.
An einer geeigneten Stelle treten die Lichtleiter β als Bündel aus dem Gehäuse 16 des Sonnenkollektors 15 aus.
Fig. 2 zeigt den Unterschied im Verhalten des Brennpunktes a) bei einer Linse (Stand der Technik) und b) bei einer Kugel.
Das Prinzip der Lichtbündelung mit Hilfe von Linsen 14 (Fig. 2a) ist weitreichend bekannt und wird zur Sonnenlichtkonzentration in den unterschiedlichsten Formen genutzt. Dabei fokussiert eine Linse 14 das einfallende Licht 9 in einem Brennpunkt 5 auf einer Brennebene. Der Nachteil der Linse 14 ist, wenn sich der Einfallswinkel des parallelen Sonnenlichtes 9 (der Sonnenstand
verändert sich) ändert, wandert der Brennpunkt 5 auf der Brennebene und wird unscharf. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, dass die Linse 14 dem Sonnenstand nachgeführt werden muss.
Bei einer Kugel gemäß Fig. 2b existiert keine Brennebene, denn der Brenn- punkt 5 bewegt sich in einen konstanten Abstand zur Kugel 1 um diese herum. Aus diesem Grund spielt die Ausrichtung zur Sonne für die Qualität des Brennpunktes 5 keine Rolle und eine mechanische Nachführung der Linse 14 entfällt komplett.
Damit nun das Licht 9 von dem Brennpunkt 5 der Kugel 1 z.B. in einen Lichtlei- ter 6 eingespeist werden kann, muss sich der Lichtleiter 6 in einen vorgegebenen konstanten Abstand im Bereich der gewünschten sphärischen Fläche um die Kugel 1 herum bewegen können.
Der Lichtleiter 6 wird dem sich ständig ändernden Sonnenstand und dem damit „wandernden" Brennpunkt 5 mit Hilfe einer Mechanik, im Wesentlichen bestehend aus den Gleitschienen 2 und 3, dargestellt in Fig. 3, angepasst. Die Gleitschienen 2 und 3 sind an einer Abdeckplatte 17 des Sonnenkollektors 15 drehbar gelagert sind. Die Abdeckplatte 17 beinhaltet gleichzeitig die Kugeln 1 zum Fokussieren des Lichtes 9, wobei eine Hälfte der Kugel 1 aus der Ab- deckplatte 17 ragt.
Um Kosten und Gewicht zu sparen, kann die Abdeckplatte 17 mit den integrierten Kugeln 1 in ein Stück aus Kunststoff im Spritzgussverfahren hergestellt werden.
Um alle notwendigen Brennpunkte 5 ansteuern zu können, benötigt jede Kugel 1 zwei Gleitschienen 2 und 3, die sich um 90° kreuzen.
Da ein Kollektor 15 aus mehren Kugeln 1 besteht, wie in Fig. 4 dargestellt, handelt es sich hier um Reihen von Gleitschienen 2, 3, die wiederum in paralleler Anordnung stehen und durch mechanische Verbindungselemente 8 miteinander verbunden sind, so dass sie sich synchron bewegen.
Die Gleitschienen 2 sind also alle mechanisch miteinander verbunden und die Gleitschienen 3 sind wiederum auch alle mechanisch miteinander verbunden und können sich somit unabhängig voneinander bewegen. Hierfür benötigt das System zwei getrennt voneinander gesteuerte Motoren 7. Werden die Gleitschienen 2, 3 bewegt, umlaufen sie den unteren Bereich der Kugel 1. Auf der Gleitschiene 2 und 3 ist jeweils für eine Kugel eine Halterung 4 befestigt, welche sich wiederum auf den Gleitschienen 2, 3, dargestellt in Fig. 5, hin und her bewegen lässt.
Durch das Bewegen der Gleitschienen 2, 3 kann also die Halterung 4 in jede beliebige Position gebracht werden. Die Halterung 4 besitzt in diesem Beispiel eine trichterförmige innen verspiegelte Form (Fig. 6), die eine Größe besitzt, um das zu bündelnde Licht 9 aufzunehmen. Der Abstand der Trichterspitze zur Kugel 1 entspricht genau dem Brennpunkt 5.
Durch die Drehbewegungen der Gleitschienen 2 und 3 sowie der Beweglichkeit der Halterung 4, wird sichergestellt, das alle notwendigen Brennpunkte 5 unterhalb der Kugel 1 angesteuert werden können wie in Fig. 5 dargestellt. Scheint Sonnenlicht 9 durch die Kugel 1 kann die Halterung 4 solch eine Position einnehmen, dass der entstehende Brennpunkt 5 genau in die Trichterspitze der Halterung 4 hinein scheint. Gesteuert wird der gesamte Mechanismus 2, 3, 4, 8 durch Lichtsensoren 12. Diese können sich unterhalb einer einzelnen Kugel 1 (dargestellt in Fig. 1) befinden. Vorstellbar wäre z.B. dass sich in einer Trichterspitze 4 statt des Lichtleiters 6 der Uchtsensor 12 befindet (Fig. 1). Dieser steuert die beiden Motoren 7 für die Gleitschienen 2, 3 so, dass sich der Sensor 12 immer optimal im Brennpunkt 5 fixiert. Da alle Trichterspitzen 4 sich synchron ausrichten, ist eine optimale Korrektur des sich bewegenden Brennpunktes 5 gegeben. Eine komplizierte Einmes- sung, wie bei anderen Systemen ist nicht nötig, da sich das System selbst steuert (Kostenersparnis durch schnelle und unkomplizierte Montage möglich).
Es wäre natürlich auch möglich, wie in Fig. 6 dargestellt, die transparente Kugel 1 indirekt in die Abdeckplatte 17 so zu integrieren, dass sie sich frei drehen kann. Damit besteht die Möglichkeit, die Halterung (Trichter) 4 für den Lichtleiter 6 oder
andere gewünschte Bauelemente fest mit der Kugel 1 zu verbinden. In diesen Fall richtet sich also die komplette Kugel 1 mit der sich darauf befindlichen fest verbundenen Halterung 4 nach dem jeweiligen Sonnenstand aus.
Gesteuert wird die Variante nach Fig. 6 zentral über mechanische Verbindungs- elemente, so dass sich alle Kugeln 1 synchron bewegen.
Wie schon erwähnt, besteht natürlich die Möglichkeit in die Trichterspitze von der Halterung 4 die unterschiedlichsten Einrichtungen und Materialien einzubringen, wie zum Beispiel eine Solarzelle zur Stromerzeugung. In diesen Fall befindet sich jedoch ein Lichtleiter in der Halterung (Trichterspitze) 4, in die das Licht 9 eingelei- tet wird.
Um in diesem Fall eine optimale Aufnahme des Brennpunktes 5 in den Lichtleiter 6 zu gewährleisten, sind in Fig. 7 einige Beispiele der Variationsmöglichkeit der Trichterspitze also Halterung 4 aufgeführt.
In Fig. 7, Trichter 4a befindet sich der Lichtleiter 6 direkt im Zentrum des Brenn- punktes 5.
In Fig. 7, Trichter 4b vergrößert sich die verspiegelte Trichterspitze 10 konisch, um einen besseren Eintrittswinkel des Lichtes 9 in den Lichtleiter 6 herzustellen. Hierfür muss der Lichtleiter 6 etwas außerhalb des Brennpunktes 5 liegen.
In Fig. 7, Trichter 4c wird kurz vor der Trichterspitze eine Zerstreuungslinse 11 eingebracht, um das zum Brennpunkt 5 laufende Licht 9 wieder in ein parallelähnliches Licht umzuwandeln. Hierbei dringt anschließend das Licht 9 optimal in den Lichtleiter 6 ein. Das Licht 9 kann nun an einen beliebigen Ort transportiert werden, wo es individuell genutzt werden kann.
So besteht nun die Möglichkeit, dargestellt in Fig. 8, dass das Licht 9 mit Hilfe eines Lichtleiterschalters 13 unterschiedlich genutzt werden kann. So besteht also die Möglichkeit der direkten Sonnenlichtnutzung in schwer lichtzugänglichen Räumen, wie z.B. Tiefgaragen oder Büroräumen in Untergeschossen. Durch Lichtschaltsysteme 13 kann auch je nach Bedarf auf Warmwasseraufbereitung oder Kochen umgestellt werden. Wird beides nicht benötigt, kann das System beispielsweise auf Stromerzeugung umschalten.
Durch die Erfindung wurde also ein Sonnenkollektor 15 zum Fokussieren und Transportieren von Sonnenlicht 9 geschaffen, der individuell je nach Wunsch alle bekannten Möglichkeiten der Sonnenenergienutzung ausschöpft.
[Bezugszeichenliste]
1 transparente Kugel
2 erste Gleitschiene 3 zweite Gleitschiene
4 Halterung, Trichter, Lichtaufnahmeeinrichtung
5 Brennpunkt
6 Lichtleiter
7 Motor 8 mechanische Verbindungselemente
9 Lichtstrahlen
10 sich konisch vergrößernde Trichterspitze
11 Streulinse
12 Lichtsensor 13 Lichtleiterschalter
14 Sammellinse
15 Sonnenkollektor
16 Gehäuse
17 Abdeckplatte
Next Patent: METHOD AND LENS ARRANGEMENT FOR LIGHT FOCUSING