CH644200A5 - Sonnenwaermekollektor. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sonnenwärmekollektor, mit einer langgestreckten konkaven reflektierenden Fläche, die an beiden Enden durch Stirnwände geschlossen und an der offenen Seite mit einer für Sonnenstrahlen durchlässigen Abdeckung abgedeckt ist, und mit einer Wärmeaufnahmevorrichtung in dem durch die konkave reflektierende Fläche, die Stirnwände und die Abdeckung begrenzten so

Raum.

Solche Kollektoren sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Die Wärmeaufnahmevorrichtungen bestehen praktisch immer aus einem durch die Sonnenstrahlen zu erwärmenden, eine Flüssigkeit als Wärmeträger führenden Rohr 55 oder Rohrsystem im Zentrum des durch die reflektierende Fläche umfassten Raums. Die reflektierende Fläche ist meistens im Querschnitt parabelförmig. In vielen Fällen werden solche Kollektoren mit ihrer Längsachse parallel zu einer vertikalen, Nord-Süd-gerichteten Ebene dem Sonnenstand nach- 60 führbar aufgestellt, damit ein möglichst günstiger Einfall der Sonnenstrahlen erhalten wird.

Es war Aufgabe der Erfindung, einen einfachen und dadurch wirtschaftlich herstellbaren Sonnenwärmekollektor der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der keine bewegbaren Teile aufweist, fest, d.h. ohne Bewegungs- und Antriebsmechanismus, aufgestellt werden kann, und der auch, dank der festen Aufstellung, nahezu keine Überwachung und Wartung

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erfordert, aber trotzdem eine verhältnismässig sehr günstige Wärmeleistung hat.

Die erfindungsgemässe Lösung der Aufgabe besteht in einem Sonnenwärmekollektor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die konkave reflektierende Fläche einen Zylinderspiegel mit halbkreisförmigem Querschnitt bildet und in der axialen Mittelebene der reflektierenden Fläche eine flache Wärmeaufnahmevorrichtung angeordnet ist, die sich über nahezu den ganzen im von der reflektierenden Fläche mit halbkreisförmigem Querschnitt umfassten Raum liegenden Bereich der Mittelebene erstreckt. Bei dem erfindungsgemässen Sonnenwärmekollektor wird so der von der im Querschnitt halbkreisförmigen reflektierenden Fläche umschlossene Raum durch die flache Wärmeaufnahmevorrichtung in zwei beiderseits der Mittelebene liegende gleiche Hälften unterteilt. Bei einer solchen Anordnung können die auf die reflektierende Fläche auftreffenden oder von dieser «eingefangenen» Sonnenstrahlen nie einen Winkel von dem Wert Null mit der Flächennormalen an der Auftreffstelle einschliessen, so dass keine eingefangenen Strahlen nach aussen reflektiert werden können. Ausserdem können die eingefangenen Sonnenstrahlen, die nicht direkt auf die Wärmeaufnahmevorrichtung fallen, die Wärmeaufnahmevorrichtung grösstenteils bereits nach einer einzigen Reflexion erreichen, was der effektiven Aufwärmung zugute kommt.

Vorzugsweise wird der Sonnenwärmekollektor nach der Erfindung fest derart aufgestellt, dass die axiale Mittelebene der reflektierenden Fläche in einer in Nord-Süd-Richtung ausgerichteten Vertikalebene hegt. Mit dem Sonnenwärmekollektor nach der Erfindung können dann die Sonnenstrahlen über einen sich über nahezu 180° von Ost nach West erstreckenden Richtungsbereich eingefangen werden, d.h. dass trotz einer festen Aufstellung des Kollektors ein effektiver Sonnenstrahleneinfang von sehr früh am Morgen bis sehr spät am Nachmittag gesichert werden kann. Ausserdem kann während der frühen Morgenstunden und der späten Nachmittagsstunden ein wesentlicher Anteil der eingefangenen Sonnenstrahlen direkt und unter einem für die bezweckte Aufwärmung günstigen Winkel auf die Wärmeaufnahmevorrichtung auftreffen.

Um die in der Mittelebene angeordnete Wärmeaufnahmevorrichtung in ihrer Tiefenausdehnung soviel wie möglich der ganzen Länge des Krümmungsradius der halbkreisförmigen reflektierenden Fläche anzupassen, kann diese im Querschnitt halbkreisförmige reflektierende Fläche an ihren beiden Längskanten etwas verlängert werden. Im Querschnitt kann dann also der Halbkreis an beiden Enden entweder mit einem geraden oder mit einem kreisbogenförmigen Verlängerungsstück etwas verlängert sein. Die an der offenen Seite des Reflektors angeordnete Abdeckung kann dann Abstand von der äussersten Begrenzung der Wärmeaufnahmevorrichtung haben.

Die in der Tiefenrichtung von der Kollektorabdeckung bis hinab zu der reflektierenden Fläche gemessene Höhe der Wärmeaufnahmevorrichtung kann so ungefähr die Hälfte der zwischen den freien Längskanten der reflektierenden Fläche gemessenen Breite der Einfangöffnung betragen.

Die gemäss der Erfindung in der Mittelebene angeordnete flache Wärmeaufnahmevorrichtung kann damit auch nahezu völlig verhindern, dass Strahlen von der an der einen Seite dieser Wärmeaufnahmevorrichtung liegenden einen Hälfte der reflektierenden Fläche auf die andere Hälfte derselben reflektiert werden.

Wie erwähnt, kann der Sonnenwärmekollektor nach der Erfindung fest mit seiner Mittelebene vertikal und in der Nord-Süd-Richtung ausgerichtet aufgestellt werden, und insbesondere so, dass sich seine Längsachse in der in bezug auf den geographischen Aufstellungsort günstigsten schrägen

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oder gegebenenfalls horizontalen Lage befindet. Durch die in wünschte Konvektion infolge der verschieden hohen Tempe-

Nord-Süd-Richtung ausgerichtete Mittelebene kann eine be- raturniveaus in dem Kollektorraum vermieden werden kann,

sonders intensive Sonnenstrahlenkonzentration auf den am Es ist auch möglich, den ganzen inneren Kollektorraum,

tiefsten in dem Kollektorraum liegenden Teil der Wärmeauf- der durch die konkave reflektierende Fläche, die Abdeckung nahmevorrichtung erreicht werden. Dies ist besonders gün- 5 und die Stirnwände begrenzt ist, unter Vakuum zu bringen,

stig, weil auf diese Weise ein hohes Temperaturniveau in die- Der Sonnenwärmekollektor nach der Erfindung kann in sem Teil der Wärmeaufnahmevorrichtung erreicht werden jeder gewünschten Anzahl auf einer für Sonnenbestrahlung kann. geeigneten Fläche angeordnet oder zu einer Batterie zusam-

Der Sonnenwärmekollektor nach der Erfindung eignet mengefügt werden.

sich besonders zum Einbau in Dächer oder zur Aufstellung 10 Die Erfindung wird im folgenden unter Hinweis auf die auf hochstehenden Wänden usw., wobei seine Schrägstellung schematische Zeichnung beispielsweise noch näher erläutert,

so gewählt werden kann, dass immer alle über die Eingangs- Auf der Zeichnung zeigen:

Öffnung eingefangenen Sonnenstrahlen direkt oder nach Re- Fig. 1 einen Querschnitt eines Sonnenwärmekollektors flexion an der reflektierenden Fläche auf die Wärmeaufnah- nach der Erfindung,

mevorrichtung gelangen. 15 Fig. 2 in erheblich kleinerem Massstab einen Querschnitt

Besonders erwähnenswert ist, dass auch das als diffuses durch eine Reihe von vier zu einer Batterie zusammengefüg-

Licht einkommende Sonnenlicht die flächenförmige Wärme- ten Kollektoren nach Fig. 1,

aufnahmevorrichtung mit erhöhtem Nutzeffekt erwärmen Fig. 3 einen Längsschnitt eines in Betriebsstellung aufge-

kann, weil das über eine Breite von etwa dem Zweifachen des stellten Kollektors nach Fig. 1 ;

Radius der reflektierenden Fläche einfallende Sonnenlicht 20 Fig. 4 eine zu Fig. 3 gehörende Vorderansicht in Richtung durch Reflexion auf die nur halb so breite Wärmeaufnahme- IV-IV in Fig. 3 und

Vorrichtung konzentriert wird. Fig. 5A-5C für verschiedene Einfallswinkel in den Kol-

Gemäss einer Ausführungsart der Erfindung kann, wenn lektor einfallende Strahlen und ihre Reflexionen auf die Mit-

- wie an sich bekannt - für die Wärmeaufnahmevorrichtung telebene.

solcher Kollektoren eine Flüssigkeit als Wärmeträger enthal- 25 Der auf der Zeichnung gesamthaft mit der Bezugsziffer 1 tende Rohre verwendet werden, die Wärmeaufnahmevorrich- bezeichnete Sonnenwärmekollektor weist eine konkave re-tung eine Anzahl von in der Mittelebene dicht übereinander flektierende Fläche auf, die aus einem im Querschnitt halbangeordnete Flüssigkeitsrohre umfassen. Die Flüssigkeits- kreisförmigen Teil 2 mit dem Radius R und zwei an den bei-rohre sind dann vorzugsweise parallel zu der Kollektorlängs- den Längskanten des Teils 2 anschliessenden schmalen, gera-achse ausgerichtet, können aber auch, wie insbesondere im 30 den Verlängerungsteilen 3 besteht.

Falle dünner Rohre, zu einer die Mittelebene enthaltenden Die reflektierende Fläche 2,3,3 wird durch eine gebo-

flachen Anordnung zusammengefasst sein, in welcher die ein- gene, polierte Platte oder Folie, z.B. aus Aluminium, gebildet,

zelnen Rohre einen Winkel mit der Kollektorlängsachse ein- . die über eine Isolationsschicht 4' auf der Bodenfläche 4 des schliessen oder Rohrabschnitte sogar quer zu dieser stehen. Kollektorgehäuses angeordnet ist.

Bei Verwendung solcher Rohre kann weiter mindestens 35 Die von den End- oder Längskanten der reflektierenden eines der Flüssigkeitsrohre, die zu der Wärmeaufnahmevor- Fläche und der beiden Stirnwände 5 des Gehäuses begrenzte richtung gehören, ein in Richtung quer zu der Mittelebene der Öffnung ist mit einer Abdeckplatte 7 aus Sonnenstrahlen reflektierenden Fläche abgeflachtes Rohr mit insbesondere durchlassendem Material, z.B. aus Glas oder durchsichtigem ovalem Querschnitt sein. Kunststoff, als Deckel abgedeckt. Dieser Deckel bildet daher

Eine sehr günstige Ausführungsform der Erfindung be- 40 auch die Abdeckung für den Kollektorinnenraum, der durch steht darin, dass die Wärmeaufnahmevorrichtung zwei flache die reflektierende Fläche 2,3,3 und die zwei Endflächen 6, die

Flüssigkeitsrohre mit insbesondere ovalem Querschnitt um- in den Fig. 3 und 4 wiedergegeben sind, begrenzt ist. Die End-

fasst, deren Querschnitts-Längsachsen in der Mittelebene der flächen 6 sind gleichfalls aus polierten Aluminiumplatten reflektierenden Fläche liegen. oder -folien gebildet.

Das am tiefsten in dem konkaven Kollektorhohlraum an- 45 Mit der Bezugsziffer 8 ist in den Fig. 1-4 ein erstes und mit geordnete flache Rohr kann dann wegen der verhältnismässig 9 ein zweites flaches Flüssigkeitsrohr bezeichnet. Diese Rohre hohen Flüssigkeitstemperaturen, die darin zumal während enthalten eine Flüssigkeit, die mit den durch den Kollektor der Stunden des Tages mit der intensivsten Sonnenstrahlung, eingefangenen Sonnenstrahlen erwärmt werden muss. Beide namentlich um die Mittagsstunde, erreicht werden können, Flüssigkeitsrohre sind im Kollektorinnenraum mit ihren z.B. zum Erwärmen von Boilerwasser oder zu anderen Zwek- 50 Längsseiten beiderseits der den Kollektorinnenraum der ken, für welche eine höhere Temperatur erwünscht ist, ver- Länge nach halbierenden Mittelebene M liegend angeordnet, wendet werden, während das höher liegende Rohr für niedri- Das Flüssigkeitsrohr 8 erstreckt sich - gemäss dem wie-gere Temperaturen benutzt werden kann. In dieser Weise dergegebenen Ausführungsbeispiel - in Tiefenrichtung des können also zwei Flüssigkeitssysteme auf verschieden hohe Kollektors von nahe der Schnittlinie der Mittelebene M mit Temperaturen erwärmt werden. Falls erwünscht, ist es durch 55 dem im Querschnitt halbkreisförmigen Teil 2 der reflektiereneine entsprechende Schaltung auch möglich, das höher lie- den Fläche bis etwa 40% des Radius R und das Flüssigkeits-gende Rohr als Vorerwärmungsstufe für die weitere Erwär- rohr 9 über die verbleibenden 60% dieses Radius R. Auf diese mung der Flüssigkeit in dem am tiefsten liegenden Rohr zu Weise ist daher nahezu der ganze in dem von dem halbkreisverwenden. Die in Tiefenrichtung des konkaven Hohlraumes förmigen Teil 2 der reflektierenden Fläche bestimmten Innengemessene Weite der beiden Rohre kann gleich oder verschie- so räum liegende Bereich der Mittelebene M von den beiden den sein. Flüssigkeitsrohren 8 und 9 belegt. Aus praktischen Gründen

Um in dem am tiefsten liegenden Rohr eine möglichst können sich jedoch beide Flüssigkeitsrohre 8 und 9 auch je hohe Flüssigkeitstemperatur zu erhalten, ist es vorteilhaft, etwa über den halben Radius R erstrecken.

wenn dieses der reflektierenden Fläche nächstliegende flache Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nach den Fig.

Flüssigkeitsrohr der Wärmeaufnahmevorrichtung von einem 651-4 ist das Flüssigkeitsrohr 8 noch durch ein in diesem Fall

Sonnenstrahlen durchlassenden Rohr mit vorzugsweise run- im Querschnitt rundes, für Sonnenstrahlen durchlässiges dem Querschnitt umgeben ist. Gewünschtenfalls kann in die- Rohr 10 aus ähnlichem Material wie das der Abdeckplatte 7

sem separatem Rohr ein Vakuum erzeugt sein, wodurch uner- umgeben.

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Die Flüssigkeitsrohre 8 und 9 sind, wie aus den Fig. 3 und reflektierte Strahl S' angegeben ist, ist in den Fig. 5A-5C für

4 hervorgeht, an ihrem einen Ende zwischen der Endfläche 6 die verschiedenen Tageszeiten zugehörigen Sonnenstände der und der Gehäusestirnwand 5 durch Querstutzen 8', 9' an ein Verlauf der einfallenden und reflektierten Strahlen in einem auf der Zeichnung nicht wiedergegebenes Flüssigkeitslei- fest aufgestellten Kollektor 1 wiedergegeben. Die schematisch tungssystem angeschlossen. Durch dieses System zirkuliert 5 dargestellte Wärmeaufnahmevorrichtung ist in diesen Figu-

die Flüssigkeit, die in dem Kollektor erwärmt wird und die in ren mit der Bezugsziffer 18 bezeichnet. Die einfallenden dem Kollektor aufgenommene Wärme an einer anderen Stelle Strahlen sind mit Bezugsbuchstaben SA, SB und Sc und die re-

über einen Wärmeaustauscher abgibt. Auf diesbezügliche flektierten Strahlen mit SA', SB' und Sc' bezeichnet.

Einzelheiten wird hier nicht näher eingegangen, weil es sich Es ist ersichtlich, dass alle eingefangenen Strahlen entwe-

dabei um an sich bekannte Ausführungen von Anlagen zur i0 der direkt oder über grösstenteils nur einfache Reflexion an

Ausnutzung der Sonnenwärme handelt. der reflektierenden Fläche 2 zu der in der Mittelebene M an-

Bei der in Fig. 3 gezeigten schrägen Aufstellung des Kol- geordneten Wärmeaufnahmevorrichtung gelangen. Die Fig.

lektors 1 liegt die Kollektor-Längsachse in einer Nord-Süd- 5A-5C zeigen auch, dass die eingefangenen Strahlen, die gerichteten Vertikalebene und schliesst mit der Horizontal- nicht direkt auf die Wärmeaufnahmevorrichtung fallen,

ebene einen Winkel von etwa 55° ein. In dieser Figur ist mit 15 grösstenteils schon nach einer einzigen Reflexion die Wärme-

der Bezugsziffer 11 noch eine Verbindung zwischen den Flüs- aufnahmevorrichtung treffen und jede Reflexion nach aussen sigkeitsrohren 8 und 9 wiedergegeben, wodurch eine Wärme- wirksam vermieden ist.

aufnahmevorrichtung erhalten wird, bei der die Rohre 9 und Bei näherer Betrachtung der Fig. 5A-5C ist es weiter auch 8 nacheinander von Flüssigkeit durchströmt werden. Da- klar, dass in dem tiefsten Bereich des Kollektorraums die durch, dass die zu erwärmende Flüssigkeit in dem Rohr 9 vor- 2o grösste Strahlenkonzentration und damit auch die intensivste erwärmt wird, kann in dem Rohr 8 ein höheres Temperatur- Erwärmung auftreten wird. Aus diesen Gründen werden nach niveau erreicht werden. Übrigens wird in diesem Zusammen- dem Ausführungsbeispiel gemäss den Fig. 1-4 zwei Flüssighang noch auf die im Nachstehenden gegebene Erläuterung keitsrohre 8 und 9 zum Erreichen verschiedener Erwärmungs-zu den Fig. 5A-5C hingewiesen. niveaus angewendet.

Das Rohr 10 ist in Fig. 3 übersichtlichkeitshalber wegge- 25 In Fig. 5A ist bei der Bezugsziffer 2' noch mit einer punklassen worden. tierten Linie angegeben, wie die im Querschnitt halbkreisför-

Fig. 2 zeigt vier zu einer Batterie zusammengefügte Kol- mige reflektierende Fläche 2 im tiefstliegenden Scheitelbelektoren la-d. Die Abdeckplatten 7a-c können hier zu einer reich unterhalb der Wärmeaufnahmevorrichtung 18 annä-einzigen gemeinsamen Abdeckplatte vereinigt sein. Die ein- hernd V-förmig nach unten ausgestülpt sein kann. Durch zelnen Mittelebenen sind hier mit Ma-Md bezeichnet. 30 diese Besonderheit wird erreicht, dass die Sonnenstrahlen

Diese Fig. 2 zeigt auch, dass die Kollektorräume mit ihren während der Stunden des höchsten Sonnenstandes etwas frü-

Öffnungen nach Süden gerichtet sind. Auf der südlichen Erd- her und unter einem günstigeren Winkel auf den am tiefstlie-

halbkugel sind sie selbstverständlich nach Norden gerichtet. genden Teil der Wärmeaufnahmevorrichtung fallen, wodurch

Ähnlich wie in Fig. 1 für einen einfallenden Strahl S der die Wärmeleistung des Kollektors noch günstiger wird.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Sonnenwärmekollektor, mit einer langgestreckten konkaven reflektierenden Fläche, die an beiden Enden durch Stirnwände geschlossen und an der offenen Seite mit einer für Sonnenstrahlen durchlässigen Abdeckung abgedeckt ist, und 5 mit einer Wärmeaufnahmevorrichtung in dem durch die konkave reflektierende Fläche, die Stirnwände und die Abdek-kung begrenzten Raum, dadurch gekennzeichnet, dass die konkave reflektierende Fläche (2) einen Zylinderspiegel mit halbkreisförmigem Querschnitt bildet und in der axialen Mit- 10 telebene der reflektierenden Fläche (2) eine flache Wärmeaufnahmevorrichtung (8,9; 18) angeordnet ist, die sich über nahezu den ganzen im von der reflektierenden Fläche (2) mit halbkreisförmigem Querschnitt umfassten Raum liegenden Bereich der Mittelebene (M) erstreckt. 15
2. 2. Sonnenwärmekollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahmevorrichtung eine Anzahl von in der Mittelebene dicht übereinander angeordneten Flüssigkeitsrohren (8,9) umfasst.
3. 3. Sonnenwärmekollektor nach Anspruch 2, dadurch ge- 20 kennzeichnet, dass wenigstens eines der Flüssigkeitsrohre ein in der Richtung quer zu der Mittelebene (M) der reflektierenden Fläche (2) abgeflachtes Rohr mit insbesondere ovalem Querschnitt ist.
4. 4. Sonnenwärmekollektor nach Anspruch 3, dadurch ge- 25 kennzeichnet, dass die Wärmeaufnahmevorrichtung zwei flache Flüssigkeitsrohre (8,9) mit insbesondere ovalem Querschnitt umfasst, deren Querschnitts-Längsachsen in der Mittelebene (M) der reflektierenden Fläche (2) liegen.
5. 5. Sonnenwärmekollektor nach Anspruch 3 oder 4, da- 30 durch gekennzeichnet, dass das bzw. wenigstens eines der flachen Flüssigkeitsrohre (8,9) der Wärmeaufnahmevorrichtung von einem Sonnenstrahlen durchlassenden, insbesondere gläsernen oder aus lichtdurchlässigem Kunststoff bestehenden Rohr (10) umgeben ist. 35
6. 6. Sonnenwärmekollektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das der reflektierenden Fläche (2) nächstliegende flache Flüssigkeitsrohr (8) der Wärmeaufnahmevorrichtung von einem Sonnenstrahlen durchlassenden Rohr

   (10) mit vorzugsweise hindern Querschnitt umgeben ist. 40

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