CH618254A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sonnenwärmekollektor gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Der Aufbau von bekannten, in allen Erdteilen benutzten Solarkollektoren ist grundsätzlich derselbe geblieben, wie er vor mehreren Jahrzehnten erstmals in Florida aufkam und in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Das wichtigste Teil ist ein von der Sonne möglichst senkrecht bestrahltes Blech, dessen Sonnenseite nach verschiedenen möglichen Methoden derartig geschwärzt ist, dass sie ein möglichst hohes Absorptionsvermögen aB für sichtbares Licht erreicht und sich dementsprechend erhitzt. Dieses dank seinem metallischen Werkstoff gut wärmeleitende Blech 1 leitet die fühlbare Sonnenwärme zu den mit ihm verbundenen Metallröhren 2, die von einer Wärmeübertragungsflüssigkeit 3, vorzugsweise vergütetem Wasser, durchströmt werden, welches dann gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Wärmeaustauschern seine Wärme für Raumheizung, Warmwasserbereitung, Betrieb von Absorptionskältemaschinen für Haushalt- und Raumkühlung, Temperierung von Schwimmbädern und schliesslich zur Speicherung in gut wärmeisolierten Vorratsbehältern abgibt.

Die bei gegebener Sonneneinstrahlung erreichte Höchsttemperatur Ta des bekannten Absorbers 1 nimmt einen Gleichgewichtswert an, wenn die je Zeiteinheit absorbierte Sonnenenergie gleich den durch Wärmeleitung, Konvektion, Wärmestrahlung und Entnahme abgegebenen Wärmeströmen wird. Um die erwähnten Verluste zu minimieren, schliesst man daher herkömmlicherweise den Absorber 1, 2 in einen

Kasten 4 ein, der mit genügend dicken Zwischenschichten von Wärmeisolatoren wie Steinwolle, porösen Plasten oder Keramik 5 die Wärmeverlustströme vom Absorber 1 und Heisswasserröhren 2 in die Umgebung herabsetzt. Weniger einfach ist es, diese Wärmeverluste auf der Sonnenseite zu vermeiden, weil die erwähnten Wärmeisolatoren wegen ihrer Lichtundurchlässigkeit ausfallen. Hier benutzt man bekanntlich zur Abdeckung der Sonnenseite des Kastens entweder ein oder mehrere Glasplatten oder Plastikfolien 6, die leider wegen ihres Reflexionsvermögens und Absorption für sichtbares Licht diesen Teil des Spektrums schwächen, dafür aber durch ihre Infrarotabsorption die Verluste durch Wärmestrahlung vermindern können. Die Wärmestrahlung des Absorbers beträgt nach dem bekannten Stefan-Boltzmann'schen Gesetz E = a ■ Ta4 mit einem Energiemaximum bei der Wellenlänge 2ma = 2900/Ta gemäss dem Wien'schen Verschiebungsgesetz, im konkreten Beispiel Ta = 400 K, also Ämax = 7,2 p.m im nahen Infrarot. Die Abdeckung der Sonnenseite mit Glasplatten oder Plastikfolien kann schon wegen deren geringer Dicke die erforderliche Dämmung der Wärmeverluste durch Leitung und Konvektion nur unbefriedigend erfüllen. Schwächung der absorbierten Sonnenstrahlung durch schräges Auftreffen auf die Absorberebene 1 kann man zwar durch dauerndes Nachführen nach dem jeweiligen Sonnenstand erreichen, doch ist dies praktisch zu kompliziert und teuer. Man montiert daher die ebenen Absorber fest in einer solchen Orientierung, dass sie nach den bekannten Lehren der Trigonometrie einen möglichst hohen Mittelwert der Strahlenabsorption/ zwischen Sonnenaufgang und -Untergang ergibt; die Ausrechnung ergibt, dass die Absorberplatte dazu in einem Winkel von geographischer Breite plus etwa 10° gegen Süden geneigt sein soll, was durch die Stütze 7 geschieht.

Es ist plausibel und auch auf der Wärmebilanz quantitativ berechenbar, dass die vom Solarkollektor erreichte Höchsttemperatur Ta und Nutzwärmeleistung proportional zum Verhältnis der Sonnenleistungsaufnahme zur Wärmeabgabe sind; bei Absorbertemperaturen von Ta = 393 K (= 120° C) wird die Wärmerückstrahlung mit der Konstante a = 5,73 .IO-11 (kw/m2 • T4) den Idealwert 1,35 kW/m2 der Solarkonstante und darf nicht gegen den zur Temperaturdifferenz Ta-Tu (Tu = absolute Umgebungstemperatur) proportionalen Wärmeverlusten durch Konvektion und Leitung vernachlässigt werden. Um ein quantitatives Zahlenbeispiel zu geben, so führt eine perfektionierte Wärmeisolation des bekannten Sonnenkollektors vom «Florida-Typus» nach Fig. 1 zu einer gemessenen mittleren Wärmeübergangszahl a = 2,2 kcal/m2h Grad und damit bei einer Sonnenwärmeabsorption von 750 kcal/m2h und einer wärmeabgebenden Oberfläche F = 2,5 m2 zu einer Höchsttemperatur von 750/2,2 • 2,5 = 130° C. Bedenkt man, dass man nach Literaturangaben zur Erzielung solcher AT die Wärmeisolation bis zu 15 cm dick wählen muss, so ersieht man, dass auf diese Weise die technisch-wirtschaftlich wünschenswerte weitere Erhöhung des Sammler-Wirkungsgrades nicht möglich ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Konstruktion von Solarkollektoren anzugeben, welche die auf sie auffallende Sonnenstrahlung mit möglichst hohem Wirkungsgrad in Nutzwärme für Raumheizung oder -lcühlung sowie Warmwasserbereitung umwandeln sollen.

Um trotzdem den Wärmeübertragungswert F a (Ta-Tu) weiter herabzusetzen, ist der erfindungsgemässe Sonnenwärmekollektor durch im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführte Merkmale gekennzeichnet.

Der Kasten wird durch das zwecks Sonnenwärme-Auf-

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nähme zugeführte Kaltwasser mit der von der Umgebungstemperatur Tu wenig verschiedenen Temperatur Tk gehalten, so dass die Wärmeverluste anstatt zu (Ta-Tu) bzw. (Ta4-Tu4) nur noch zu (Tk-Tu) bzw. (Tk4-Tu4) proportional sind, also mindestens im Verhältnis (Tt-Tu) / (Ta-Tu) herabgesetzt werden. Vorzugsweise wird dazu ein adiabatischer Metallmantel mit dem Wasservorlauf thermisch verbunden, so dass er eine Isothermenfläche von Tk bildet. Die aus den heisseren Kollektorteilen abfliessende Verlustwärme kann genutzt werden, um das mit Tu eingetretene Vorlaufwasser durch das Temperaturgefälle Ta-Tk vorzuwärmen.

Die Erfindnung ist nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen bekannten Sonnenwärmekollektor;

Fig. 2a und 2b ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfin-dungsgemässen Sonnenwärmelcollektors im Seiten- bzw. im Aufriss; und

Fig. 3 die Anordnung eines Rohres für einen flüssigen Wärmeträger bei einem Zweiten Ausführungsbeispiel.

Eine erste Ausführungsform verwendet Bauelemente, die in anderen Industriezweigen, wie der Heizungstechnik, bereits in grossen Mengen standardisiert billig hergestellt werden und daher, anders als die Ausführung in Fig. 1, unter Vermeidung aufwendiger und teurer Sonderanfertigung, aus Standard-Stahlplatten-Heizkörpern mit genormten Verbindungsstücken zusammengesetzt werden kann. Fig. 2a lässt im Aufriss, und Fig. 2b im Seitenriss die Konstruktion erkennen, wobei die Numerierung von 1—7 dieselbe ist wie bei den analogen Teilen des herkömmlichen «Florida-Typus». 1 ist der aus zwei aufeinandergeschweissten Stahlblechen bestehende Plattenheizkörper, in welchen durch Prägen oder Sicken ein unteres horizontales Rohr mit den Eingängen 3 a für die Verteilung des zufliessenden Kaltwassers, ein oberes horizontales Rohr mit den Ausgängen 3b zur Sammlung des erhitzten bzw. verdampften Wassers und zwischen diesen vertikale Erhitzungsbzw. Verdampferrohre 2 — in der Zeichnung 13 Stück — eingearbeitet sind. Die der Sonne zuzukehrende Heizkörperseite wird zwecks maximaler Absorption nach an sich bekannten Verfahren geschwärzt, die Schattenseite blank gehalten oder weiss gestrichen, um minimale Verluste durch die Wärmerückstrahlung zu erreichen. Das mit der Temperatur Tk zulaufende Kaltwasser wird nun nicht direlrt in 3a eingeleitet, sondern in das Rohr 8, welches sich über ein T-Stück gabelt, so dass das Kaltwasser aussen durch Rohr 9 entlang dem Heisswassersammelrohr 3b und entlang den senkrechten Kanten des Plattenkörpers herumfliesst, ehe es in die oben erwähnten Öffnungen 3a des unteren horizontalen Kaltwasser-verteilungsrohres eintritt. Wie der Seitenriss in Fig. 2b erkennen lässt, sind die beiden senkrechten Teile der Rohre 9 unten etwas gekröpft, damit die oberen Partien in einem Abstand von wenigen cm über dem Plattenheizkörper 1 verlaufen und als Träger für die Abdeckung 6 aus Glas oder Folie benutzt werden können. Man erkennt ferner den adiabatischen Blechkasten 10, der thermisch in Kontakt steht mit dem auf Tk temperierten Rahmen, und der oben und an den Seiten aus den Rohren 9, unten aus dem Kaltwasserverteilerrohr 3a besteht. Wenn' die Vorlauftemperatur Tk im Sommer höher als die Umgebungstemperatur Tu liegt, braucht dieser Kasten nach aussen überhaupt nicht thermisch isoliert zu sein. Für den Betrieb in der kalten Jahreszeit, wenn Tk > Tu ist, kann man die Aussenseiten des Kastens mit einer dünnen Isolierfolie 11 bekleben. Dieser adiabatische Blechschirm ist nicht nur billiger als die bisher üblichen Holzrahmen mit bis zu 15 cm dicken Isolatorschichten, sondern behebt noch eine praktische Schwierigkeit, die bisher der Optimierung solcher

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Kollektoren und entsprechender Erhöhung von Ta über 100° Celsius entgegenstand: die modernen leichten Wärmedämmstoffe verdanken nämlich ihre niedrige Wärmeleitzahl (z. B. k = 0,03) Kcal/mhC = 0,035 W/mC ihrer porösen Struktur mit geschlossenen luftgefüllten Poren. Bei höheren Dauertemperaturen beginnen diese Kunststoffe wie z. B. extrudier-tes Polystyrol zu fliessen, die Poren schliessen sich und die Wärmedämmung wird unzureichend. Die vorliegende Erfindung vermeidet diese praktische Schwierigkeit, indem sie die Isolierplatte 11 in Kontakt mit dem Kaltwasserzufluss 8 bzw. 3a hält. Tatsächlich kann man mit dieser Konstruktion Temperaturen über 130° C erreichen und dementsprechend Heiss-dampf für den Antrieb von Wärmekraftmaschinen erzeugen; für die Trennung von flüssigem und dampfförmigem Wasser ist diese Art Kollektor mit vertikalen Verdampferrohren bekanntlich besonders geeignet.

Verzichtet man auf so hohe Temperaturen und Dampferzeugung zum Zwecke der Stromerzeugung und beschränkt sich auf massig hohe Temperaturen und Dampfdrucke zum Zweck der Raumheizung, Warmwasserbereitung usw., so benötigt man nicht vertikale Verdampferrohrreihen 2 nach Figur 2a, sondern kann beliebige geometrische Muster benutzen. Als Beispiel für eine solche Anordnung sieht man in Fig. 3 eine Konstruktion, bei der ein einziges (oder auch mehrere parallelgeschaltete) Rohr 2spiralig in das Absorberblech 1 eingearbeitet ist, derart, dass das kalte Vorlaufwasser bei 3a zunächst in die äusserste Windung der Spirale eintritt, von Windung zu Windung heisser wird und schliesslich im Mittelpunkt mit Ta austritt, irgendwie senkrecht zum sonnenseitig geschwärzten, schattenseitig reflektierenden Absorberblech. Man erkennt auch hier die Realisierung des Prinzips, dass der eintretende Kaltwasserstrom mit der Temperatur Tk wenig verschieden ist von der Umgebungstemperatur Tu und deshalb kaum Wärme austauscht. Die von den heisseren Windungen bis zu Ta wegfliessenden Wärmeverlustströme fliessen etwa radial und werden von der ersten Kaltwasserwindung zu deren Vorwärmung rekuperiert. Diese Anordnung ist einfacher und billig, um den Preis der Beschränkung auf mässig hohe Temperatur.

Wenn man Solarkollektoren aus handelsüblichen Bauelementen wie insbesondere Zentralheizungskörpern aufbaut, so ist eine Auswahlregel wichtig, aber nicht naheliegend. Der Erfinder hat nämlich gefunden, dass Heizkörper mit erheblich von ebener Oberfläche abweichende Geometrie wie z. B. wellblechartige oder gerippte Konstruktionen schlechtere Sammelwirkungsgrade erreichen als solche Formen, die lediglich die zur Bildung von Wassererhitzungskanälen 2 notwendigen Abweichungen von der Ebene zulässt; besonders vorteilhaft ist es, eine Seite des Absorbers möglichst eben zu halten und als Sonnenseite zu benutzen, während die Seite mit den zur Bildung von Wasserkanälen notwendigen Unebenheiten als Schattenseite zu wählen. Die Erklärung liegt darin, dass für die Absorption des gerichteten Sonnenlichtes nur der zu ihm senkrechte Flächenanteil wirksam ist, während die Wärmerückstrahlung von der gesamten Oberfläche ausgeht. Es ist ungünstig, wenn die wärmerückstrahlende Fläche über 20 % grösser ist als die absorbierende.

Wenn sich die vorstehende Beschreibung und die Figuren auch nur mit ebenen Solarkollektoren beschäftigt haben, so ist die Erfindung ebenso gut, oft in noch höherem Masse, vorteilhaft für die Konstruktion von Sonnenkollektoren, bei denen die Sonnenstrahlung mit optischen Mitteln wie para-boloidischen, linear-parabolischen oder kegelförmigen Blechspiegeln auf einen geschwärzten Wärmekollektor konzentriert wird, um dementsprechend höhere Temperaturen Ta zu erzielen. Es ist ohne weitere Diskussion ersichtlich, dass man o

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die zu erhitzende Wärmeübertragungsflüssigkeit, wie insbesondere Wasser, dem Wärmeempfänger ebenfalls nach den Schemata der Fig. 2 und insbesondere Fig. 3 zuführen wird, damit bei dem noch grösseren Temperaturgefälle Ta-Tu die vergrösserte Verlustwärme aufgefangen und zur Vorerwärmung des Wassers ausgenutzt wird.

Der Kaltwasserzulauf 8,9 kann weggelassen und der Zulauf dafür bei 3a vorgesehen werden, wobei das kästen- oder wannenförmige Rekuperatorschild dann nur mit dem unteren horizontalen Kaltwasserverteiler in thermischem Kontakt 5 steht.

2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

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1. Sonnenwärmekollektor zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in Nutzwärme, mit einem durch einen Kasten oder eine Wanne (10) gebildeten Wärmeschild, einem im Kasten oder in der Wanne parallel zu der offenen Seite angeordneten Absorber (1, 2), der von einem Wärmeübertragungsmittel durchflössen wird, und einer Abdeckung (6) des Kastens oder der Wanne aus Glas oder Folie, dadurch gekennzeichnet,

dass der Absorber (1, 2) aus zwei bereichsweise zusammen-geschweissten Blechen hergestellt ist, deren nicht verschweiss-te Bereiche ein Kanalsystem für den Durchlauf eines Wärmeträgermittels bilden, dass ein allseitig längs des Absorberrandes verlaufender, die übrigen Teile des Kanalsystems um-schliessender Ringkanal (9) vorgesehen ist, an den eine Zuleitung (8) für das kalte Wärmeträgermittel zum Absorber angeschlossen ist, und dass der Ringkanal mit dem Kasten oder der Wanne in thermischen Kontakt steht und als VorWärmeaustauscher ausgebildet ist.

2. Sonnenwärmekollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Absorber ein oder mehrere Kanäle (2) spiralförmig angeordnet sind, wobei die Leitung (3a) für das zulaufende kalte Wärmeträgermittel mit der äussersten Windung und die Leitung (3b) für das ablaufende erwärmte Wärmeträgermittel mit der innersten Windung der Spirale verbunden ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Sonnenwärmekollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber eine Mehrzahl parallel zueinander angeordneter Kanäle (2) aufweist, die unten an einem gemeinsamen Verteilerkanal und oben an einem gemeinsamen Sammelkanal angeschlossen sind und wobei ein die Kanäle (2) und den Sammelkanal umschliessender Kanal (9) vorgesehen ist, der zusammen mit dem Verteilerkanal den randseitig verlaufenden Ringkanal bildet.