DD140163A1

DD140163A1 - Einrichtung zur waermegewinnung in ausgewaehlten spektrumsteilbereichen der sonnenstrahlung

Info

Publication number: DD140163A1
Application number: DD78209132A
Authority: DD
Inventors: Werner Heierli
Original assignee: Heliotherm Ag
Priority date: 1977-11-18
Filing date: 1978-11-16
Publication date: 1980-02-13
Also published as: DE2826202A1; BE871940A; ATA472578A; DE2826202C2; US4278075A; NL7811386A; FR2409466A1

Description

- Ί

^wendungsgebiet^^der^Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Gewinnung von Wärme in mindestens einem Teilbereich des Spektrums der Sonnenstrahlung zwischen 325 und 800 nm Wellenlänge mittels eines für die Strahlung durchlässigen Hohlkörpers, der von einer Flüssigkeit durchströmt wird, die in dem (den) ausgewählten Teilbereichen) selektiv absorbiert und die gewonnene Wärme in einem geschlossenen Kreislauf ab- und in einen Speicher überführt,

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Für Gewächshäuser werden bekanntlich erhebliche Licht- und Wärmemengen benötigt, wobei im Tagesablauf die Energienachfrage nicht mit dem Energieangebot zusammenfällt« Infolgedessen ist die Temperaturhaltung in einein Gewächshaus außerordentlich schlechtϊ An warmen bis heißen Tagen müssen Gewächshäuser herkömmlicher Bauart mit mechanischen Mitteln beschattet werden, wodurch das gesamte Lichtspektrum reduziert wirdj damit werden den Pflanzen für die Photosynthese wichtige Teilbereiche des Spektrums entzogen. An kühlen Tagen und in den Machten ist die Wärmeisolation der Gewächshaus verglasung ungenügend.

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Ähnliches gilt für Hallenschwimmbäder und Sporthallen; hier spielen Tageslicht mäßiger Helligkeit und eine gleichmäßige Klimatisierung für das menschliche Wohlbefinden eine erhebliche Rolle_e

Freischwimmbäder können in europäischen Breiten ohne Beheizung nur einen kurzen (Teil des Tages benutzt werden. Würde man herkömmliche Kollektoren zur Gewinnung von Wärme aus der Sonnenstrahlung aufstellen, wären hierfür erhebliche Frei- . landflächen erforderlich, die anderer Nutzung entzogen wären·

Es ist das Ziel der Erfindung, in diesen und ähnlichen Fällen das Sonnenlicht auf mehrfache Weise zu nutzen, nämlich einerseits Energie zu gewinnen, aber andererseits die jeweilige natürliche Verwendung zu erhalten·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung geht von einer Einrichtung der eingangs genannten Art aus und stellt sich die Aufgabe, dem Fachmann alle technischen Parameter an die Hand zu geben, die es ihm ermöglichen, die gewünschte Selektivität der Absorption mit einfachen Mitteln einzustellen und eine dauerhaft funktionsfähige Einrichtung zur Gewinnung von Wärme in vorzugsweise mehr als einem Teilbereich des Spektrums der Sonnenstrahlung zu schaffen·

Die Lösung dieser Aufgabe wurde darin gefunden, daß der Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, organische und/oder anorganische lichtechte Farbpigmente in löslicher Form oder feinster Verteilung beigegeben sind·

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Die Farbpigmente müssen gegenüber der Strahlung des gesamten Spektrums lichtecht sein, dürfen keine Veränderungen durch Alterung aufweisen und nicht elektrostatisch aufladbar sein, da sie sonst an den Wandungen der Bauteile des Kreislaufsystems haften könnten· In nicht löslicher Form müssen die Pigmente derart fein sein, daß sie auch bei Stillstand der Transportflüssigkeit nicht sedimentieren. Konzentration und Mischung von Farbpigmenten verschiedener Art können so eingestellt werden₈ daß die Flüssigkeit vorgegebene Teilbereiche des Spektrums selektiv absorbiert, in den anderen Teilbereichen aber lichtdurchlässig ist· Auf diese Weise ist es möglich, zugleich.die biologischen Funktionen und die Energie des Tages- bzw. Sonnenlichtes zu nützen.

In einer Ausführungsform der Erfindung bestehen die Farbpigmente aus einem organischen Rotfarbstoff, z.B..Bordeaux-Rot, oder aus einem anorganischen Rotfarbstoff, z.B. einem Derivat des Eisenoxids (FepOo), und/oder aus einem organischen Grünfarbstoff, z.B. einer Chlorophyll-Extraktion, .und/oder aus einem organischen Violettfarbstoff, und/oder aus einem organischen Blaufarbstoff, deren Konzentration und Mischungsverhältnis so eingestellt ist, daß im Durchlaßbereich der vorgegebene Spektralverlauf bestmöglich angenähert ist.

Die erfindungsgemäße Einrichtung 1st nur dann in wirtschaftlich vertretbarem Umfang einsatzfähig, wenn die hierfür be~ nötigten strahlungsdurchlässigen Hohlkörper preisgünstig herzusteilen und einzubauen sind» Hierzu ist vorgesehen, den bekannten Aufbau des Flachkollektors mit einer Absorberplatte in einem mit einer strahlungsdurchlässigen Abdeckung versehenen Gehäuserahmen zu übernehmen und die Absorberplatte aus einem im sichtbaren Spektralbereich und den nahen UV- bz?/.

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IJEMRandbereichen strahlungs durchlas si gen, chemisch resistenten und witterungsbeständigen Werkstoff," vorzugsweise PoIycarbonat herzustellen.

Der erfiüaungsgemäße Flachkollektor bietet darüber hinaus den Vorteil, daß seine Absorberplatte außerhalb der Betriebszeiten entleert werden kann und der Kollektor dann aufgrund seiner niedrigen Wärmeleitzahl in seiner Wärmedämmung gegenüber dem Außenraum etwa einer Dreifach-Thermoverglasung entspricht.

Der Flüssigkeit ist ein die Absorberplatte nicht angreifendes und spektralphotometrisch im Durchlaßbereich indifferentes Frostschutzmittel beigemischt. Die Absorberplatte ist in ihrem Inneren durch zu einer Randseite parallel verlaufende, ihre Ober- und Unterseite verbindende Stege in mehrere längliche Kammern unterteilt, die an ihren beiden offenen Stirnseiten des Hohlkörpers über rohrförmige Anschlußstücke miteinander kommunizieren. Die Wandstärken und die Stegstärken betragen 0,5 ~ 1»0 mm der Absorberplatte. Die Lichtmaße der Kammern betragen zwischen 5 und 10 mm. Der Abstand zwischen. Absorberplatte und Deckplatte beträgt zwischen 10 und 20 mm. Die Absorberplatte ist aus einer Anzahl nebeneinander angeordneter Rohre vorzugsweise quadratischen Querschnitts gebildet, die an den beiden Stirnseiten der Absorberplatte über rohrförmige Anschlußstücke miteinander kommunizieren.

Ausführungsbei spiel

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen*

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Pig, 1s schematisch einen Querschnitt und CDeil-Längsschnitt durch einen selektiv strahlungsdurchlässigen Flachkollektpr;

^ Zi die Kurven des für die Photosynthese nötigen Lichtspektrums und ihre Annäherung durch einen Versuchskollektor;

3* die Kurven des dem menschlichen Auge sichtbaren Lichtspektrums. und ihre Annäherung durch einen Versuchskollektor.

Der Flachkollektor nach Fig. 1 besteht auf seiner Unterseite aus einer scheibenförmigen hohlen Absorberplatte 1 und auf seiner Oberseite aus einer Deckplatte 3, die beide in einem Rahmen 4 aus einem Strangpreßprofil aus Kunststoff oder Leichtmetall gehalten sind und zwischen sich einen Raum 2 einschließen, der üblicherweise mit Luft gefüllt ist, aber auch mit einem die IR-Strahlung hemmenden Gras gefüllt oder evakuiert sein kann·

Die Deckplatte 3 kann aus Glas, Polycarbonat o. dgl. bestehen und als Flach- oder Profilplatte ausgebildet sein und muß Winddrücke, bei Evakuierung des Raumes 2 auch den äußeren Luftdruck aufnehmen und Schneelasten tragen können. Als Profilplatte kann sie nach optischen Gesetzen in Längs- und/oder Querrichtung profiliert sein, um den im Tagesverlauf sich ändernden Lichteinfallswinkel zu korrigieren und somit den photothermischen Effekt zu steigern.

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Die Absorberplatte 1 wird aus einem strahlungsdurchlässigen, temperatur- und alterungsbeständigen, chemisch resistenten Kunststoff im ^strangpreßverfahren hergestellt. Insbesondere besitzt Polycarbonat alle geforderten Eigenschaften, wie Kälte- und Hitzebeständigkeit, Lichtä-urchlässigkeit im sichtbaren und näheren W-Bereich, realisierbare Oberflächengüte, extrem hohe Lebensdauer bei Kontakt mit Wasser und/oder hohen Luftfeuchtigkeiten, Gemäß Fig«. 1 ist die Absorberplatte 1 als flacher, quaderförmiger Hohlkörper ausgebildet, der in seinem Inneren durch zu einer Eandseite parallel verlaufende, seine Ober- und Unterseite verbindende Stege 1,1 in mehrere längliche Kammern 1.2 unterteilt ist, die an den beiden Stirnseiten des Hohlkörpers über ro hrförmige Anschluß stücke 1.3 miteinander kommunizieren. Über diese Anschlußstücke ist der Flachkollektor bzw. seine Absorberplatte 1 an den äußeren Flüssigkeitskreislauf angeschlossenj sie bestehen ebenfalls aus Kunststoff, vorzugsweise Polycarbonat, und haben die Aufgabe, die Zirkulation des Mediums über die ganze Plattenbreite derart zu verteilen, daß in der Platte über die ganze Fläche regelmäßige Strömungsverhältnisse herrschen· Auf Schrägdächern wird der Flachkollektor so eingebaut, daß die Kammern 1.2 in der Fallinie verlaufen, um durch die Thermik der durch die Einstrahlung erwärmten Flüssigkeit in "Ver-=· bindung mit dem Durchflußwiderstand eine möglichst lineare Fließgeschwindigkeit über die ganze Plattenbreite zu erreichen.

Die erfindungsgemäßen lichtselektiven Flachkollektoren werden in Modulbauweise so hergestellt, daß sie überall leicht montierbar sind. Aus Versuchen haben sich folgende Detailmaße als vorteilhaft ergebene

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Absorberplatte 1, im Strangpreßverfahren aus Polycarbonat hergestellt?

Wand- und Stegstärken: . 0,5 - 1»0 mm

Lichtmaße der Kammern 1·2 5 ~ ΊΟ mm

die Stege 1„1 geben der Absorberplatte 1 eine außerordentliche Steifigkeit, .

Abstand zv/ischen Absorberplatte 1 und Deckplatte 3 (lichte Höhe des Luftraumes 2): 10 - 20 mm·

Anwendungsbeispiel 1

In das Diagramm der Fig· 2 ist gestrichelt die Kurve des Lichtspektrums eingetragen, das von der Pflanze für die Photosynthese benötigt wird·

Diese Kurve läßt sich als Filterkurve einer selektiv absorbierenden Flüssigkeit in der Absorberplatte des Flachkpllektors herstellen mittels einer Mischung aus reinen Grundfarben, z.B. , .

1 Teil eines organischen Grünfarbstoffes, ζ·Β_β als Chlorophyll-Extraktion, ...

4· Seile eines organischen Rotfarbstoffes, z,B_e in Form von Bordeaux-^ot, .

2 Teile eines organischen Blaufarbstoffes.

Diese im Handel erhältlichen Farbstoffe werden in bekannter Weise feinstgemahlen und antistatisch gemacht; stark hygros-. kopische Farbstoffe werden gegen Agglomeratbildung behandelt·

Die ausgezogene Kurve in Fig· 2 zeigt die spektrale Durchläse sigkeitsverteilung, die bis 700 nm in sehr guter Übereinstimmung mit der Spektralkurve der Photosynthese ist. Der so präparierte Flachkollektor erlaubt die Transmission aller für die Photosynthese der Pflanzen erforderlichen Teilspektren, ?/ährend alle übrigen absorbiert, in Wärme verwandelt

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und über die Kollektorflüssigkeit einem Speicher zugeführt werden können, aus dem die Energie nach zeitlichem Bedarf abgerufen werden kann· Das für die Photosynthese von den Pflanzen benötigte Licht umfaßt ca. 30 % des gesamten einfallenden Lichtspektrums, 70 % können also ohne wesentliche Investitionen in Wärme umgewandelt und zur Beheizung der Gewächs- und Treibhäuser nutzbar gemacht werden. Der in den Sommermonaten anfallende Überschuß kann nachts wieder über die Kollektoren abgestrahlt werden oder zur Beheizung von Freuend Verwendung finden.

Die Flachkollektoren können mit geringstem Aufwand unter bestehende Gewächshaus-Glasdächer montiert oder als Module direkt in die Baukonstruktion eingegliedert werden· Da sie zudem einen sehr niedrigen Wärmeleitwert haben, wird die Sonnenenergie für diesen Zweck auf wirtschaftlichste Weise genutzt.

Anwendungsbeispiel 2

In das Diagramm der Fig. 3 ist gestrichelt das für das Auge sichtbare Teilspektrum - innerhalb der Strahlung zwischen und 800 nm eingetragen. Dieses Spektrum wurde in guter An-?. näherung bis 630 nm nachgebildet mittels einer Flüssigkeit, der Farbpigmente zugesetzt waren in einer Mischung von z.B.

2 Teile eines anorganischen Rotfarbstoffes, z.B. als Derivat des Eisenoxids, .

4 Teile eines organischen Grünfarbstoffes,

9 Teile eines organischen Blaufarbstoffes und

5 Teile eines organischen Violettfarbstoffes.

Das vom menschlichen Auge gesehene Licht überdeckt ca. 35 % des gesamten Spektrums. 65 % können also als Wärme gewonnen

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werden. Sie werden im Falle eines Freischwimmbades über den Flüssigkeitskreislauf direkt oder über einen Speicher zugeführt β Die Flachkollektoren können zu.diesem Zweck als freitragende Dächer über Liegeplätzen usw. aufgestellt werden. Eine solche Abdeckung absorbiert die UV-Einstrahlung und reduziert die Überhitzung des Körpers und verhindert Sonnenbrand«

Die gleichen Flachkollektoren können auch für Hal lens chwiinm~ bäder, Sporthallen u. dgl« verwendet werden«.

Als Teile der Außenhaut, insbesondere der Bedachung von geschlossenen Bäumen wie Gewächshäusern und Hallen können die Flachkollektoren in Zeiten, in denen keine Energie anfällt, entleert und als Schutz gegen Abstrahlimg in den kalten Außenraum verwendet werden. Der Wärmeleitwert von Luft beträgt nur ein "Viertel desjenigen von ^asser. Mit der Deckplatte zusammen entspricht dann der Wärmeleitwert des luftgefüllten Flachkollektors annähernd dem einer Dreifach-Thermoverglasung. Bei einer Evakuierung der Absorberplatte 1 auf z.B. 10 Torr verringert sich der Wärmeleitwert noch einmal um knapp die Hälfte.

Andererseits können die Flachkollektoren auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt betrieben werden, wenn der Flüssigkeit ein die Absorberplatte 1 nicht angreifendes und spektralphotometrisch im Durchlaßbereich indifferentes Frostschutzmittel beigemischt ist«.

Claims

- 10 - Berlin,d.19.2.1979 54 509 17 Erfindungs anspruch

1. Einrichtung zur Wärmegewinnung in ausgewählten Spektrumsteilbereichen der Sonnenstrahlung zwischen 325 und 800 mm Wellenlänge mittels eines für die Strahlung durchlässigen Hohlkörpers, der von einer Flüssigkeit durchströmt wird, die in dem (den) ausgewählten £eilbereich(en) selektiv absorbiert und die gewonnene Wärme in einem geschlossenen Kreislauf ab- und in einen Speicher überführt, gekennzeichnet dadurch, daß der Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, organische und/oder anorganische lichtechte Farbpigmente in.löslicher Form oder feinster Verteilung beigegeben sind.

2« Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Farbpigmente bestehen aus einem organischen Rotfarbstoff,

z.B. Bordeaux- ot, oder aus einem anorganischen Rotfarbstoff, z.B. einem Derivat des Eisenoxids. (Fe£0O, und/oder aus einem organischen ^Grünfarbstoff, z.B. einer Chlorophyll-Extraktion, und/oder aus einem organischen Blaufarbstoff und/oder aus einem organischen Violettfarbstoff, deren Konzentration und Mischungsverhältnis so eingestellt ist, daß im Durchlaßbereich der vorgegebene Spektralverlauf bestmöglich angenähert ist.

Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Hohlkörper als Flachkollektor mit einer aus.einem im sichtbaren Spektralbereich und den nahen W- bzw. IR-Randbereichen strahlungsdurchlässigen, chemisch resistenten und witterungsbeständigen Werkstoff, vorzugsweise Polycarbonat hergestellten hohlen Absorberplatte (1) in einem mit einer strahlungsdurchlässigen Abdeckung

(3) Versehenen Gehäuserahmen (4) ausgebildet ist.

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4. Einrichtung nach Punkt 1 bis 3» gekennzeichnet dadurch, daß der Flüssigkeit ein die Absorberplatte (1) nicht angreifendes und spektralphotometrisch im Durchlaßbereich indifferentes Frostschutzmittel beigemischt ist·

5· Flachkollektor nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Absorberplatte (1) in ihrem Inneren durch zu einer Randseite parallel verlaufende, ihre Ober-r und Unterseite verbindende Stege (1.1) in mehrere längliche Kammern (1.2) unterteilt ist, die an ihren beiden offenen Stirnseiten des Hohlkörpers über rohrförmige Anschlußstücke miteinander kommunizieren.

6, Flachkollektor nach Punkt 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Wandstärken und die Stegstärken 0,5 - 1»0 mm der •Absorberplatte (1) betragen und daß die Idchtiaaße der Kammern (1.2) zwischen 5 und 10 mm betragen.

7· Flachkollektor nach Punkt 5 und 6, gekennzeichnet dadurch, daß der Abstand zwischen Absorberplatte (1) und Deckplatte (3) zwischen 10 und 20 mm beträgt.

8· Flachkollektor nach Punkt 3» gekennzeichnet dadurch, daß. die Absorberplatte (1) aus einer Anzahl-nebeneinander an- ' geordneter Rohre vorzugsweise quadratischen Querschnitts gebildet ist, die an den beiden Stirnseiten der Absorberplatte über rohrförmige Anschlußstücke miteinander kommunizieren.

Hierzu y/ Seite Zeichnungen