-
Die
Erfindung betrifft einen kompakten und leichten, autarken solarbetriebenen
Luftkollektor, die Verwendung des autarken solarbetriebenen Luftkollektors
zur Erwärmung von Außenluft und/oder Umluft oder
anderen gasförmigen Medien sowie ein Verfahren zur Erwärmung
von Außenluft und/oder Umluft oder anderen gasförmigen
Medien unter Benutzung des autarken solarbetriebenen Luftkollektors.
-
Bei
Solarkollektoren wird die Energie des einfallenden direkten Sonnenlichts
in langwellige Wärmestrahlung umgewandelt, um ein Wärmeträgermedium
zu erwärmen. Man unterscheidet konzentrierende und nichtkonzentrierende
Sonnenkollektoren. Konzentrierende Sonnenkollektoren werden dem
Lauf der Sonne nachgeführt; besondere Bedeutung haben die
Parabolrinnenkollektoren, die in Solarfarmanlagen eingesetzt werden.
Bei den nichtkonzentrierenden Sonnenkollektoren unterscheidet man
verschiedene Bauformen, unter anderem Flachkollektoren.
-
Solare
Luftkollektoren (auch solare Lufterhitzer genannt) verwenden, als
Wärmeträgermedium, an das die absorbierte Wärme übertragen
wird, Luft oder ein anderes Gas. Diese Art von Solarkollektoren lässt
sich im Niedertemperaturbereich einsetzen und werden zur Wärmebereitstellung
im Bereich zwischen etwa 30°C (Schwimmbadheizung) bis rund 400°C
(Dampfturbinenprozeß) eingesetzt. Die Vorteile von Luft
als Wärmeträger gegenüber Wasser in solartechnischen
Anlagen sind: Sicherheit gegenüber Phasenwechseln des Wärmeträgers;
geringe Korrosionsgefahr; leichte, einfache und kostengünstige Konstruktionen;
geringe thermische Masse des Absorbers, woraus sich eine geringe
thermische Trägheit des Systems und damit kurze Ansprechzeiten des
Kollektors auch bei niedrigen Strahlungsintensitäten ergeben;
und Luftkollektoren können mit Wärmepumpen kombiniert
werden.
-
Für
Lauben, Hütten und Ferienhäuser existiert ein
Modell, das aus einem normalen Luftkollektor besteht, zusätzlich
jedoch ein integriertes Photovoltaikmodul besitzt. Der im Photovoltaikmodul
erzeugte Strom treibt einen Ventilator an, der sich ebenfalls im Kollektor
befindet. Erwärmte Luft wird in die Wohnräume
geblasen und temperiert den Innenraum. Die Regelung erfolgt über
eine einfache Thermostatsteuerung. Als Einsatzbereich bieten sich
Gebäude an, die nur zeitweise genutzt werden. Durch die
autarke Luftkollektoranlage wird der Innenraum gelüftet
(und somit trocken gehalten) und temperiert.
-
Die
oben genannten Flachkollektoren werden üblicherweise zur
Brauchwassererwärmung und zur Raumheizung genutzt. Hierbei
besteht der Kollektor aus einem geschwärzten Absorber,
der vom aufzuheizenden Wärmeträgermedium durchströmt wird.
Zur Reduzierung der Verluste durch Konvektion und thermische Wärmestrahlung
wird der Absorber in einem Isoliergehäuse mit (im Sonnenspektrum) transparenter
Frontabdeckung aus Glas oder Kunststoff montiert. Zur Wirkungsgradverbesserung
werden selektive Absorberbeschichtungen eingesetzt, wodurch ein
im Bereich der Solarstrahlung hohes Absorptionsvermögen
bei gleichzeitig niedriger Wärmerückstrahlung
erreicht wird.
-
Sonnenkollektoren
sind in vielfachen Ausführungsformen bekannt, bei denen
als Absorber metallische Gewebe oder Gewirke verwendet werden. Die
auf diese Art vergrößerte Oberfläche
für den Kontakt des Wärmeträgers mit
dem Absorber führt allerdings auch zu hohen Wärmeverlusten
an der Vorderseite des Sonnenkollektors, da die warme Luft die transparente
Abdeckung erwärmt. Auch das hohe Gewicht der Anlagen ist
nachteilig, da die nur schwer auf Dächern oder an Wänden
angebracht werden können.
-
Über
die Benutzbarkeit und Effizienz der Luftkollektoren entscheiden
insbesondere solche Parameter, wie hoher Luftdurchsatz mit einer
erreichten Mindesttemperatur, einfacher mechanischer Aufbau und
universelle Einsetzbarkeit. In
DE 30 148 88 A1 wird ein Luftsammelsystem
für Luftkollektoren beschrieben, bei dem Luft an einer
unter einer lichtdurchlässigen Wellplattenabdeckung liegenden
Wärmetauscherfläche entlanggeführt und über
eine Sammelleitung, einen stirnseitigen Sammelkasten abgeführt
wird.
-
Gegenstand
von
DE 91 05 184.3
U1 und
DE 92
00 598.5 U1 sind Solarkollektorlösungen, bei denen
eine transparente Hohlkammerplatte aus Kunststoff als Kollektorgehäuse
eingesetzt wird, d. h. die Hohlräume der Platte vom Luftstrom
durchsetzt werden.
-
Des
weiteren sind aus
DE
195 40 500 A1 und
DE
196 12622.3 A1 Kollektoren zur solaren Erwärmung
von Flüssigkeiten bekannt, bei denen als Trägerelement
Sandwich-Bauplatten eingesetzt werden, die eine in Plattenlängsrichtung
ausgeprägte rippenartige Profilierung aufweisen.
-
Nachteilig
an den aus dem Stand der Technik bekannten Luftkollektoren ist das
verhältnismäßig hohe Gewicht des Absorbers,
des Rahmens und der Abdeckung, da sie im Wesentlichen aus Metall
gefertigt sind. Weitere Nachteile sind, ein hoher Wärmeverlust
durch die Elemente der Kollektoren, eine komplexe Bauweise und eine
nicht-effektive Arbeitsweise. Des Weiteren weisen die im Stand der
Technik beschriebenen Luftkollektoren im Wesentlichen nur Einkammersysteme
auf, die schwer steuerbar sind.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es einen einfach konstruierten und selbstregulierenden
solarbetriebenen Luftkollektor bereitzustellen, der die Nachteile des
Stands der Technik nicht aufweist.
-
Überraschenderweise
wird diese Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Es
war völlig überraschend, dass das erfindungsgemäße
Problem mit einem solarbetriebenen Luftkollektor gelöst
werden kann, welcher folgende Komponenten umfasst:
Mindestens
eine Glasscheibe, einen an sich bekannten Mehrkammer-Fensterprofilrahmen,
und eine Kammer. Der Rahmen weist eine Vielzahl an Hohlkammern auf
und dient zur Aufnahme der Glasscheibe, wobei an der Glasscheibe
mindestens eine photovoltaische Zelle angebracht ist, und unter
der Glasscheibe umfasst von dem Rahmen, mindestens eine Kammer und
eine einen Absorber enthaltende Absorberkammer angeordnet sind,
und die Kammern mindestens eine Gaseintrittsöffnung und
eine Gasaustrittsöffnung aufweisen.
-
Im
Gegensatz zu den im Stand der Technik beschriebenen Luftkollektoren
umfasst der erfindungsgemäße Luftkollektor einen
Rahmen, der an sich für die Herstellung von Fenstern und
Türen bekannt ist. Hierbei handelt es sich um einen Mehrkammer-Fensterprofilrahmen,
der eine Vielzahl an Hohlkammern aufweist. Die in den Hohlkammern
eingeschlossene Luft fungiert als Dämmung und verhindert
den Verlust von Wärme. Der Rahmen weist weiterhin Aufnahmen
für eine Glasscheibe auf. Unter der Glasscheibe und eingefasst
von dem Rahmen, befinden sich mindestens zwei Kammern, wobei eine Kammer
einen Absorber enthält, beide Kammern sind jedoch verbunden.
Die Kammern enthalten Gaseintrittsöffnungen und Gasaustrittsöffnungen,
d. h. ein Gas, vorteilhafterweise Luft, strömt in die erste Kammer
und von der ersten Kammer in die Absorberkammer, wobei das Gas dort
die Absorber umströmt. Die durch die Glasscheibe einfallenden
Sonnenstrahlen treffen auf den Absorber. Beim Auftreffen der Sonnenstrahlen
wird nahezu der gesamte Spektralbereich des Lichtes absorbiert.
Die konvektive Wärmeabgabe nach vorn wird durch eine oder
zwei Glasscheiben verringert. Wärme, die aufgrund der Eigentemperatur
des Absorbers von diesem durch Emission wieder abgestrahlt wird,
kann größtenteils ebenfalls durch die Glasscheibe
zurückgehalten werden, da Glas für die höhere
Wellenlänge nicht transparent ist. Sie ist somit im Kollektor
gefangen. Der erwärmte Absorber überträgt
die Wärme, d. h. die Energie, auf das in der Absorberkammer
zirkulierende Gas. Auch ist eine Speicherung der Energie mithilfe
eines Wärmetauschers möglich. Hier wird die Energie über
einen Wärmetauscher an ein Speichermedium abgegeben und
bei Bedarf von diesem auf einen Wärmeträger übertragen.
Hier bietet sich wegen der hohen Speicherkapazität ein
gedämmter Wasserspeicher an. Statt eines Wasserspeichers
kann auch ein gedämmter Steinspeicher genutzt werden.
-
Hauptanwendungen
für den erfindungsgemäßen Luftkollektor
sind Luftheizungsanlagen; Wärmepumpenheizungen; Trocknungsanlagen
der Lebensmittel- und Futterindustrie; raumlufttechnische Einrichtungen;
Anlagen zur Brauchwasservorwärmung; Strahlungsheizanlagen.
-
Der
neue Kollektor kann dabei integriert werden in Bauwerkshüllen
(Hallen) für Industrie und Landwirtschaft, in Gebäude
für die Baustellenversorgung, Containerbauten aller Art,
im Freizeitsektor u. a. Als wesentliche Vorteile des neuen Luftkollektors können
u. a. genannt werden:
weitestgehender Verzicht auf komplizierte
mechanische Verbindungselemente und Rahmenkonstruktionen um den
Fertigungsaufwand zu senken,
variable Kollektorlänge,
je nach Geometrie der zur Verfügung stehenden Flächen
(Hausdach oder Wand) bzw. je nach den spezifischen Auslegungsparametern
der konkreten Anwendung,
der Kollektor ist nicht nur am Neubau
realisierbar, sondern er ist aufgrund seiner einfachen Bauweise auch
bei der Nachrüstung von Anlagen einsetzbar und jederzeit
erweiterbar,
der Kollektor eignet sich auch zur separaten Aufstellung
wodurch externe, von Gebäuden unabhängige und
sogar mobile Einsatzfälle möglich sind.
-
Bevorzugt
ist, wenn der Rahmen des solarbetriebene Luftkollektors aus Kunststoff,
insbesondere PVC, gefertigt ist. Kunststoffe bezeichnen Materialien,
deren wesentliche Bestandteile aus solchen makromolekularen organischen
Verbindungen bestehen, die synthetisch oder durch Abwandeln von
Naturprodukten entstehen. Sie sind in vielen Fällen unter
bestimmten Bedingungen (Wärme u. Druck) schmelz- und formbar.
Zu den Kunststoffen gehören auch Kautschuke und Chemiefasern.
Auch synthetische Lackrohstoffe und Klebstoffe werden zu den Kunststoffen
gezählt. Für die vorteilhafte Ausführungsform
werden Kunststoffe aus der Gruppe abgewandelte Naturstoffe, synthetische
Kunststoffe (Polykondensate, Polymerisate, Polyaddukte), Duroplaste,
und/oder ungesättigte Polyesterharze, umfassend Cellulosenitrat,
Celluloseacetat, Cellulosemischester, Celluloseether, Polyamid,
Polycarbonat, Polyester, Polyphenylenoxid, Polysulfon, Polyvinylacetal, Polyethylen,
Polypropylen, Poly-1-buten, Poly-4-methyl-1-penten, Ionomere, Polyvinylchlorid,
Polyvinylidenchlorid, Polymethyl-methacrylat, Polyacrylnitril, Polystyrol,
Polyacetal, Fluor-Kunststoffe, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat,
Poly-p-xylylen, lineare Polyurethane, chlorierte Polyether, Casein-Kunststoffe, Phenol-Harz,
Harnstoff-Harz, Thioharnstoff-Harz, Melamin-Harz, Epoxidharz, vernetzte
Polyurethane, Alkydharz, Allylharz, Silicon, Polyamid, und/oder
Polybenzimidazol verwendet.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Rahmen aus
Polyvinylchlorid (PVC) gefertigt. Polyvinylchlorid ist ein amorpher
thermoplastischer Kunststoff, welcher hart und spröde ist.
PVC weist gute isolierende Eigenschaften auf und besitzt eine hohe Festigkeit.
Durch die isolierenden Eigenschaften, wird ein Verlust der von dem
Kollektor gesammelten Wärme verhindert und somit der Wirkungsgrad
des Kollektors wesentlich verbessert. Ein Rahmen aus PVC schützt
weiterhin den Luftkollektor vor äußeren Einflüssen
und verleiht ihm eine hohe Stabilität, wobei der Rahmen
im Vergleich zu Metallen wesentlich leichter und flexibler ist.
Auch können Anpassungen des PVCs direkt vor Ort vorgenommen
werden, da es mit dem Durchschnittsfachmann zugänglichen
Maschinen bearbeitet werden kann.
-
Weiterhin
bevorzugt ist, wenn der Rahmen auf einer Sandwichplatte angebracht
ist. Der Rahmen wird mittels Befestigungsmittel, umfassend Schrauben,
Nieten, Nägel oder Ösen an der Sandwichplatte
befestigt. Auch das Verbinden unter Anwendung von Druck oder Wärme,
wie z. B. Schweißen, ist möglich.
-
Eine
Sandwichplatte weist eine Sandwichbauweise auf, welche eine Bauweise
beschreibt, bei der mehrere Schichten verschiedener Eigenschaften in
einem Werkstoff eingebettet werden. Als Konstruktionsweise bezeichnet
die Sandwichbauweise eine Form des Leichtbaus, bei dem die Bauteile
aus kraftaufnehmenden Decklagen bestehen, die durch einen relativ
weichen, meist leichten, Kernwerkstoff auf Abstand gehalten werden.
Diese Teile sind bei geringem Gewicht sehr biege- und beulsteif.
Die Decklagen können aus Metall, Kunststoff, Holz oder ähnlichem gefertigt
sein. Das Kernmaterial kann aus Papierwaben, Schaumstoffen (Hartschaum),
Balsaholz oder ähnlichem bestehen. Es überträgt
auftretende Schubkräfte und stützt die Deckschichten.
Die wärmedämmenden Eigenschaften der Kernschicht
gewährleisten, dass wenig Wärme aus dem Kollektor entweicht
und somit der Effizienz des Kollektors verbessert wird. Außerdem
wird durch die leichte Bauweise der Sandwichplatten das Gesamtgewicht
des Luftkollektors erniedrigt, wodurch besonders eine Befestigung
des Kollektors auf Dächern oder Wänden ermöglicht
wird. Die Sandwichplatte kann einfach mittels Befestigungsvorrichtungen
an einer planen Unterlage angebracht werden.
-
Es
ist bevorzugt, dass die Glasscheibe, aus einem transparentem Material,
umfassend Solarglas, oder Kunststoff, besteht.
-
Im
Sinne der Erfindung bezeichnet Transparenz eine Eigenschaft von
Materie, elektromagnetische Wellen hindurchzulassen.
-
Zur
Abdeckung der Kammern dient im Wesentlichen eine Glasscheibe aus
transparentem Material. Eine vorteilhafte Ausführungsform
ist Solarglas als Abdeckung. Solarglas ist ein spezielles Glas für die
Verwendung in thermischen Solarkollektoren. Das dort verwendete
Glas soll möglichst viel energiereiche Strahlung in den
Kollektor einfallen lassen und nur die vom Absorber emittierte oder
reflektierte Wärmestrahlung wieder zurück ins
Kollektorinnere reflektieren. Solarglas weist eine hohe Bruchfestigkeit
gegenüber Hagel und Schneelast auf, die bei einer geringen
Scheibendicke erreicht wird.
-
Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform umfasst die Benutzung
von Kunststoff als transparente Abdeckung. Kunststoff umfasst Cellulosenitrat, Celluloseacetat,
Cellulosemischester, Celluloseether, Polyamid, Polycarbonat, Polyester,
Polyphenylenoxid, Polysulfon, Polyvinylacetal, Polyethylen, Polypropylen,
Poly-1-buten, Poly-4-methyl-1-penten, Ionomere, Polyvinylchlorid,
Polyvinylidenchlorid, Polymethyl-methacrylat, Polyacrylnitril, Polystyrol,
Polyacetal, Fluor-Kunststoffe, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat,
Poly-p-xylylen, lineare Polyurethane, chlorierte Polyether, Casein-Kunststoffe,
Phenol-Harz, Harnstoff-Harz, Thioharnstoff-Harz, Melamin-Harz, Epoxidharz,
vernetzte Polyurethane, Alkydharz, Allylharz, Silicon, Polyimid,
und/oder Polybenzimidazol. Bevorzugt ist die Benutzung einer Stegdoppel-
oder Mehrfachplatte aus Polycarbonat. Derartige Hohlkammerplatten
bieten Schutz gegen Umwelteinflüsse, wie Hagel oder Schnee,
sind UV-beständig und nicht vergilbend.
-
Bevorzugt
ist die Befestigung der Glasscheibe, d. h. der transparenten Abdeckung,
an dem Rahmen mittels einer Glasdichtung. Der Rahmen weist eine
Aufnahme auf, in die die Glasdichtung eingefügt wird und
auf die, die Glasscheibe aufgebracht ist. Eine Dichtung bezeichnet
eine Vorrichtung zum gas- oder flüssigkeitsdichten Abteilen
verschiedener Räume gegeneinander. Materialien für
Dichtungen umfassen: Kork, Gummi, Silicone, Kunststoffe, Bitumina,
Kunstharze, Schaumstoffe oder Kitte und können auch mit
Fasern (umfassend Graphit, Blei, Aluminium, Kupfer oder Kombinationen
dieser Stoffe) verstärkt werden. Die bevorzugte Ausführungsform
ist vorteilhaft für die Dichtung von Glas, da hier eine
reversible Verbindung von Dichtung und Glas erreicht wird und das
Glas nicht beschädigt wird und der von der Glasscheibe
abgedeckte Raum zu dem Rahmen hin gut abgedichtet ist, wodurch das
Entweichen von Wärme verhindert ist.
-
Weiterhin
bevorzugt ist die Anbringung einer Isolierung zwischen den Kammern
und dem Rahmen. Isolierungen bezeichnen im Sinne der Erfindung Maßnahmen
zur Eindämmung von dem Wärmefluss (thermischer
Energie) durch sogenannte Dämmstoffe mit geringer Wärmeleitfähigkeit.
Mitunter umfassen Dämmstoffe geschäumte Kunststoffe (z.
B. Polystyrol, Neopor, Polyurethan, usw.), geschäumte Elastomere
auf Basis von Neopren-Kautschuk, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk
(EPDM) oder ähnlichen gummiartigen Basismaterialien; anorganische
Dämmstoffe wie Mineralwolle (z. B. Steinwolle oder Glaswolle),
Blähton, Perlite, Kalziumsilikat-Platten oder geschäumtes
Glas; Naturdämmstoffe aus Nachwachsenden Rohstoffen wie
Holzwolle (zement- oder magnesitgebunden, z. B. Heraklith) oder
tierische und pflanzliche Fasern wie Schafwolle, Kokos, Hanf, Flachs,
Kapok, Kork, See- und Wiesengras bzw. Holzfaserwerkstoff(platten)
und Schilfrohr(matten) oder aus Recyclingmaterial wie Zellulose.
Je nach Materialeigenschaften sind diese Dämmstoffe als
Platten, in gerollter Form, als Matten, steif oder halbsteif zwischen
dem Rahmen und den Kammern angebracht. Vorteilhafterweise werden
die Dämmstoffe, wie beispielweise Polyurethanschaum, erst
beim Aufbringen aufgeschäumt, wodurch die Hohlräume
und Spalten zwischen dem Rahmen und den Kammern effektiv ausgefüllt
sind. Durch die bevorzugte Ausführungsform wird sichergestellt,
dass der Rahmen und die den Rahmen befestigenden Befestigungsmittel,
durch die hohen Temperaturen nicht beschädigt werden. Außerdem
wird durch die Isolierung weiterhin der Wärmeverlust der
Absorberkammer reduziert, wodurch eine konstante Temperaturverteilung
in der Absorberkammer erreicht wird. Somit sind höhere
Ausbeuten erzielbar und die Effizienz der Kollektoren wird verbessert.
Des Weiteren ist die Isolierung für die erste Kammer von
Vorteil, da das einströmende Gas dort im Überdruck
vorliegt und dementsprechend hohe Drücke auf die Bauelemente wirken.
Durch die bevorzugte Ausführungsform wird sichergestellt,
dass der Rahmen oder sonstige Bauteile nicht direkt von den Drücken
belastet werden. Eine vorteilhafte Ausführungsform ist
eine aluminiumkaschierte Isolierung. Kaschieren bezeichnet das Verbinden
von zwei oder mehreren Lagen gleicher oder verschiedener Materialien
mit Hilfe geeigneter Kaschiermittel. Kaschieren ist z. B. möglich
bei Papieren, Textilien, Kunststoffen, Metallen und anderen Materialien,
die sich als entsprechende Lagen bzw. Folien verarbeiten lassen.
Durch Kaschieren lässt sich eine schützende Aluminiumschicht
auf einem Dämmstoff aubringen und sich so eine Addierung günstiger
Materialeigenschaften erzielen. Neben Metall-typischen Eigenschaften
wie Lichtundurchlässigkeit, Gas- und Wasserdampfdichtigkeit,
Temperatur-Beständigkeit, Wärmeleitfähigkeit,
Reflexionsvermögen für Wärmestrahlen
und Mikrowellen oder Dichtigkeit besitzt Aluminium typische Eigenschaften wie
inertes Verhalten auch bei Direktkontakt, toxikologische Unbedenklichkeit,
Geschmacks- und Geruchsfreiheit und gute Verformbarkeit durch niedrigen Elastizitätsmodul.
Somit ist unter Anderem eine optimale Wärmedämmung
möglich und die Effizienz und der Wirkungsgrad des Luftkollektors
werden verbessert.
-
Weiterhin
ist bevorzugt, wenn eine gasdurchlässige Mittelwand die
Kammern trennt. Die gasdurchlässige Mittelwand ist im Wesentlichen
aus einer Dämmschicht der oben beschriebenen Art gefertigt,
weist jedoch zusätzlich Öffnungen auf, die den Durchtritt
eines Gases erlauben. Hierbei kann es sich um Bohrungen handeln.
Das Gas strömt bei Überdruck in der ersten Kammer
durch die Bohrungen in die Absorberkammer. Es sind auch Ventilationsvorrichtungen
und Klappen in die Mittelwand einsetzbar, die die Strömung
des Gases aus der ersten Kammer in die Absorberkammer regulieren.
Hierbei wird der mittels Messgeräten der Druck in der ersten
Kammer gemessen und bei Erreichen eines definierten Druckes die
Klappen oder Ventilationsvorrichtungen aktiviert und so das Gas
in die Absorberkammer geleitet. Auch sind Flatterklappen einsetzbar,
die sich selbsttätig bei einem bestimmten Überdruck
in der ersten Kammer öffnen und das zurückströmen
des Gases aus der Absorberkammer verhindern. Durch die bevorzugte
Ausführungsform ist ein selbstregulierender und kostengünstiger
Luftkollektor herstellbar, der zusätzlich einfach zu bedienen
ist.
-
Es
ist bevorzugt, dass der Absorber des solarbetriebenen Luftkollektors
aus Metall, vorzugsweise Aluminium oder Kupfer, gefertigt ist. Metalle
bezeichnen chemische Elemente, die sich im Gegensatz zu den Nichtmetallen
im Periodensystem links der diagonalen Trennungslinie beginnend
mit dem Element Beryllium (2. Gruppe) bis hin zum Polonium (16.
Gruppe) befinden, sowie deren Legierungen und intermetallische Verbindungen
(umfassend Laves-Phasen, Heusler-Phasen, Zintl-Phasen, Hume-Rothery-Phasen,
NiTi, Co5, Nb3Sn oder Ni3Al) mit charakteristischen metallischen
Eigenschaften. Metalle umfassen Aluminium, Beryllium, Bismut, Blei, Cadmium,
Chrom, Eisen, Gallium, Gold, Indium, Kalium, Cobalt, Kupfer, Magnesium,
Mangan, Molybdän, Natrium, Nickel, Osmium, Palladium, Platin, Quecksilber,
Rhodium, Ruthenium, Silber, Tantal, Titan, Uran, Vanadium, Wolfram,
Zink, Zinn oder Zirconium. Eine vorteilhafte Ausführungsform
des Absorbers, besteht aus Aluminium oder Kupfer. Der Vorteil der
Metalle liegt in ihrer guten Wärmeleitfähigkeit, denn
die solare Wärme muss bei Warmluftkollektoren auf eine
große Oberfläche verteilt werden, da der Wärmeübergang
von Luft an eine ebene Fläche sehr gering ist. Des Weiteren
sind die bevorzugten Metalle leicht und weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf.
Durch das geringe Gewicht ist eine Leichtbauweise möglich,
die auch dem Normalverbraucher die Verwendung der Luftkollektoren
erlaubt, da diese einfach und kostengünstig auf dem Hausdach
oder an Wänden montiert werden können.
-
Vorteilhaft
ist, dass der Absorber aus dreieckförmigen Elementen aus
jeweils mehrfach gekanteten Metall besteht. Die in etwa dreieckförmigen
Absorberelemente können aus jeweils einem mehrfach gekanteten
Blech bestehen und trotz dieses einfachen Aufbaus eine gute Stabilität
für den Absorber gewährleisten. Durch die Dreieckform
wird erreicht, dass die Wärmeaustauschfläche vergrößert
wird, der Absorber jedoch nicht mehr Raum benötigt. Die
dreieckigen Formen werden gleichmäßig von dem
Wärmeträger umströmt, d. h. unterströmt
und überströmt. Weitere Vergrößerungen
der Wärmetauscheroberflächen lassen sich dadurch
erzielen, dass die dreieckförmigen Elemente uneben ausgebildet
sind, d. h. beispielweise Noppen oder Profilrillen aufweisen. Hierdurch
wird die Wärmetauscherfläche erhöht und die
Effizienz des Wärmeaustauschs verbessert, was wiederum
zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades führt.
-
Eine
vorteilhafte Ausführungsform ist ein Absorber, der aus
Blech geformten Dreiecken besteht. Blech ist ein ausgewalztes metallische
Halbzeug, dessen Dicke sehr viel geringer als Länge und
Breite ist. Blech wird aus Metall gefertigt. Der Vorteil der bevorzugten
Ausführungsform ist, dass es einen guten Wärmeleitkoeffizienten
aufweist und eine leichte Bauweise des Luftkollektors zulässt.
-
Bevorzugt
ist, dass der Absorber eine schwarze Beschichtung aufweist. Um eine
möglichst hohe Absorption der Sonnenenergie zu erreichen,
ist die der Sonne zugewandte Oberfläche des Absorbers entweder
schwarz eingefärbt oder mit einer speziellen Beschichtung
versehen, die selektiv wirkt, d. h., die von außen kommende
kurzwellige Sonnenenergie möglichst gut aufnimmt und die
langwellige Wärmeenergie des Absorbers nur schlecht abgibt. Vorzugsweise
werden Beschichtungen umfassend eta plus, Tinox, schwarzchrom, Solarlack
oder sunselect genutzt. Durch die bevorzugte Ausführungsform
sind überraschenderweise Absorption von 91 bis 96 Prozent
und Emission von 4 bis 10 Prozent erreichbar. Auch eine schwarze
Lackierung der Absorbers fördert die Absorption. Durch
die bevorzugten Ausführungsformen wird zudem erreicht,
dass der Absorber selbst langfristig hitze- und UV-beständig ist,
da das Material durch die Beschichtung geschützt ist.
-
Es
ist weiterhin bevorzugt, dass der Gasstrom durch die Gaseintrittsöffnungen
und Gasaustrittsöffnungen über Klappen und/oder
Ventilationsvorrichtung steuerbar ist. Das Gas, vorzugsweise Luft,
wird durch Ventilationsvorrichtungen in die erste Kammer gesaugt.
Sobald ein bestimmter Überdruck erreicht ist, strömt
das Gas aus der ersten Kammer durch die gasdurchlässige
Mittelwand in die Absorberkammer, wo es durch die von dem Absorber
absorbierte Energie erwärmt wird. Ein Temperaturmessgerät
in der Absorberkammer bestimmt die Temperatur des Gases, wobei das
erwärmte Gas durch die Gasaustrittsöffnung geleitet
wird, sobald eine definierte Temperatur erreicht ist. Das erwärmte Gas
kann aus dem Luftkollektor in eine weiterverarbeitende Vorrichtung,
z. B. eine Klimaanlage, geleitet werden.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform sind an den Gaseintrittsöffnungen
und Gasaustrittsöffnungen Ventilationsvorrichtungen angebracht,
bei denen es sich im Sinne der Erfindung um fremdangetriebene Strömungsmaschinen
handelt, die mittels eines in einem Gehäuse rotierenden
Laufrads ein gasförmiges Medium fördern und verdichten
und dabei zwischen Ansaug- und Druckseite ein Druckverhältnis zwischen
1 und 3 erzielen. Dem Fachmann sind die die Vorrichtungen als Ventilatoren,
Gebläse oder Lüfter geläufig. Durch die
bevorzugte Ausführungsform ist eine schnelle und effektive
Förderung von Luft in die erste Kammer und aus der Absorberkammer möglich,
wodurch der Wirkungsgrad des Luftkollektors verbessert wird und
die Arbeitsphasen, d. h. die Phasen zur Befüllung der ersten
Kammer und Entleerung der Absorberkammer, erniedrigt werden. Die Ventilationsvorrichtungen
werden vorzugsweise über die photovoltaische Zelle mit
Strom versorgt. Diese ist an der Glasscheibe angebracht und somit
direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt. Weiterhin sind Klappen an
den Gaseintrittsöffnungen und Gasaustrittsöffnungen
zur Regulierung des Gasstroms vorgesehen. Hierbei handelt es sich
um einfache Flatterklappen oder um steuerbare Klappen, mit denen
der Gasstrom regulierbar ist. Somit ist eine genaue und einfache
Steuerung des Luftkollektors möglich, wobei dieser bei
Bedarf erwärmtes Gas zur Verfügung stellt. Der
autarke solarbetriebene Luftkollektor reduziert die Kosten und erzielt
eine Klimatisierung unter umweltfreundlichen Bedingungen.
-
Bevorzugt
ist die Verwendung eines solarbetriebener Luftkollektor zur Erwärmung
von Außenluft und/oder Umluft oder anderer gasförmiger
Medien. Der solarbetriebene Luftkollektor ist universell einsetzbar
und kann zur Erwärmung verschiedener Gase verwendet werden.
So kann der Luftkollektor auf einem Hausdach angebracht sein und
die Umgebungsluft ansaugen, gegebenenfalls filtern und erwärmt
in eine weiterverarbeitende Anlage, wie z. B. eine Klimaanlage weiterleiten.
Besonders die bevorzugten Bauteile des Luftkollektors ermöglichen
die Verwendung unterschiedlicher Gase, da der Kollektor weitestgehend
auf komplexe Elemente verzichtet und auch das Verweilen des Gases
in der Absorberkammer steuerbar ist. Die Erwärmung des
Gases ist von der spezifischen Wärmeleitfähigkeit
des Gases abhängig. Durch ein Thermostat in der Absorberkammer
wird die Erwärmung des Gases gemessen und erst bei Erreichung
einer definierten Temperatur werden die steuerbaren Gaseintrittsöffnungen
und Gasaustrittsöffnungen geöffnet. Auch das Strömen
des Gases in die erste Kammer wird über Druckmessgeräte
und entsprechende Ventilationsvorrichtungen reguliert, da auch die
Kompression des Gases von spezifischen Eigenschaften des Gases abhängig
ist. Durch den autarken solarbetriebenen Luftkollektor und die Verwendung
von unterschiedlichen Gasen ist ein breites Einsatzgebiet möglich,
welches über die Warmwasserbereitstellung oder Raumheizung
hinausreicht.
-
Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Erwärmung von
Außenluft und/oder Umluft oder anderen gasförmigen
Medien, unter Benutzung eines solarbetriebenen Luftkollektors umfassend
die Verfahrensschritte:
- a) Strömung
eines Gases in die erste Kammer,
- b) Durchtritt des in der ersten Kammer vorliegenden Gases durch
eine gasdurchlässige Mittelwand in die Absorberkammer,
- c) Zirkulation des Gases in der Absorberkammer, und
- d) Austritt des in der Absorberkammer zirkulierenden Gases durch
eine Gasaustrittsöffnung.
-
Der
solarbetriebene Luftkollektor umfasst einen an sich bekannten Mehrkammer-Fensterprofilrahmen,
der eine Aufnahmevorrichtung für eine Glasscheibe aufweist.
Zusätzlich wird zwischen den Rahmen und der Glasscheibe
eine Glasdichtung angebracht, die die Verbindung zwischen Rahmen
und Glasscheibe optimal abdichtet und so die Glasscheibe vor Beschädigung
schützt und weiterhin das Entweichen von Gas oder Wärme
unterbindet. Unter der Glasscheibe, umfasst von dem Rahmen, sind
zwei Kammern angeordnet, wobei eine erste Kammer mit einer zweiten
Kammer, die einen Absorber enthält mittels einer gasdurchlässigen
Mittelwand verbunden ist. Des Weiteren weisen beide Kammern mindestens
eine Gaseintrittsöffnung und eine Gasaustrittsöffnung
auf. Zwischen den Kammern und dem Rahmen befindet sich eine Isolierung
(eine Dämmschicht), die den Verlust von Wärme
minimiert und den Rahmen oder Elemente des Rahmens, wie z. B. Befestigungsmittel
vor hohen Temperaturen schützt. Der Rahmen ist auf einer
Sandwichplatte, die aus mehreren Schichten besteht und so eine stabilisierende
und isolierende Eigenschaft hat, angebracht. Der Rahmen ist mittels
Befestigungsmittel an der Sandwichplatte befestigt.
-
In
der Absorberkammer, unter der Glassscheibe, ist ein Absorber angeordnet,
der aus einem Metall besteht und beschichtet ist. Der Absorber absorbiert
die durch die Glasscheibe einfallenden Sonnenstrahlen. Beim Auftreffen
der Sonnenstrahlen wird nahezu der gesamte Spektralbereich des Lichtes
absorbiert. Die dabei freiwerdende Wärme soll nicht verloren
gehen, weshalb der Luftkollektor allseitig mittels der Isolierung
wärmegedämmt ist. Die konvektive Wärmeabgabe
nach vorn wird durch eine oder zwei Glasscheiben verringert. Wärme,
die aufgrund der Eigentemperatur des Absorbers von diesem durch
Emission wiederabgestrahlt wird, kann größtenteils
ebenfalls durch die Glasscheibe zurückgehalten werden,
da Glas für die höhere Wellenlänge nicht
transparent ist.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren erwärmt neben
Umluft oder Außenluft andere Gase. So kann z. B. auch die
Luft aus Häusern in den Kollektor geleitet werden und von
diesem erwärmt werden, wodurch ein effizienter Kreislauf
erreicht wird. Des Weiteren sind Räumlichkeiten, in denen
ein erwärmtes Gas, wie z. B. Sauerstoff, eingeleitet werden
soll durch den Kollektor versorgbar. Hierbei kann es sich beispielweise
auch um Schwimmbäder handeln. Der erfindungsgemäße
Luftkollektor weist eine Bauweise auf, die die Benutzung von unterschiedlichen
Gasen erlaubt. Messgeräte sind in dem Kollektor angeordnet
und regulieren die Strömung der Gase in die erste Kammer,
aus der ersten Kammer oder aus der Absorberkammer, wobei die Gase
nur weitergeleitet werden, wenn definierten Werte, wie Temperatur oder
Druck erreicht sind. Somit müssen keine Adaptationen an
der Anlage vorgenommen werden, was eine einfache Handhabung und
universelle Verwendbarkeit mit sich bringt.
-
Luft
strömt durch die Gaseintrittsöffnung oder wird
mittels einer Ventilationsvorrichtung in die erste Kammer gesaugt.
Sobald in der ersten Kammer ein Überdruck besteht, strömt
die Luft durch die gasdurchlässige Mittelwand in die Absorberkammer. Ventilationsvorrichtungen
katalysieren diesen Prozess. Messgeräte in der ersten Kammer
messen den Druck und regulieren daraufhin die Ventilationsvorrichtung,
wobei so der Eintritt von Luft in die erste Kammer und der Austritt
der Luft aus der ersten Kammer in die Absorberkammer gesteuert werden.
Die Ventilationsvorrichtungen werden von mindestens einer photovoltaischen
Zelle, welche auf der Glasscheibe angeordnet ist, mit Strom versorgt.
Es handelt sich also um einen autarken solarbetriebenen Luftkollektor.
-
Die
Luft zirkuliert in der Absorberkammer und unter- und überströmt
den Absorber und wird dabei erwärmt. Der Absorber besteht
aus beschichteten dreieckförmigen Elementen und absorbiert
so optimal Energie, wobei die Emission weitgehend reduziert ist.
Es findet eine effiziente Weitergabe der Energie von dem Absorber
an den Wärmeträger Luft statt. Ein Thermostat
in der Absorberkammer misst die Temperatur und sobald die Luft eine
definierte Temperatur erreicht hat, wird die erwärmte Luft
mittels Ventilationsvorrichtungen in eine weiterverarbeitende Anlage,
wie z. B. eine Klimaanlage geleitet. Auch können Klappen
an der Gasaustrittsöffnung den ausströmenden erwärmten
Luftstrom regulieren. Das erfindungsgemäße Verfahren
zur Erwärmung von Außenluft und/oder Umluft oder
anderen gasförmigen Medien löst überraschenderweise
ein bestehendes Problem des Stands der Technik und ermöglicht
die Erwärmung mit einem einfachen, autarken und solarbetriebenen
Luftkollektor. Die universelle Einsetzbarkeit des Verfahrens und
die einfachen Verfahrensschritte ermöglichen den Einsatz
des Kollektors auch in privaten Haushalten, wobei der Verbraucher
den Kollektor einfach und schnell an die unterschiedliche Anwendungen
anpassen kann, ohne Bauteile austauschen zu müssen.
-
Weitere
vorteilhafte Maßnahmen sind in den übrigen Unteransprüchen
beschrieben.
-
Die
Erfindung wird nunmehr anhand von Figuren beispielhaft beschrieben,
es zeigen:
-
1 Solarbetriebener
Luftkollektor
-
1 zeigt
eine schematische Darstellung eines solarbetriebenen Luftkollektors.
In einen Mehrkammer-Fensterprofilrahmen 1 wird eine Glasscheibe 6 aufgebracht.
Der Rahmen 1 kann aus PVC hergestellt sein und ist an sich
aus der Herstellung von Fenstern und Türen bekannt. Der
Rahmen 1 ist auf einer Sandwichplatte 11 mittels
Befestigungsmittel, umfassend Schrauben, Nieten, Nägel
oder Ösen befestigt. Auch das Verbinden unter Anwendung
von Druck oder Wärme, wie z. B. Schweißen, ist
möglich. Der Rahmen 1 weist weiterhin Aufnahmen
auf, in die eine Glasscheibe 6 eingebracht ist, wobei eine
Dichtung 2 zwischen dem Rahmen 1 und der Glasscheibe 6 die
Aufnahme der Glasscheibe unterstützt und die Glasscheibe 6 vor
Beschädigung schützt. Zusätzlich dichtet
die Dichtung 2 den von der Glasscheibe abgedeckten Raum
zu dem Rahmen hin ab und verhindert das Entweichen von Wärme.
Es wird vorzugsweise eine Glasdichtung eingesetzt. Der Rahmen 1 ist
auf einer Sandwichplatte 11 befestigt. Die Sandwichplatte 11 besteht
aus stabilisierenden und dämmenden Schichten und weist
weiterhin ein geringes Gewicht auf, wodurch der Bau eines leichten
Luftkollektors möglich ist, der auf Dächern oder
Wänden befestigbar ist.
-
Die
Glasscheibe 6 bedeckt zwei Kammern 12, 13.
In der ersten Kammer 12 befindet sich eine Gaseintrittsöffnung 8,
die den Durchlass von Gas erlaubt, wobei der Gaseintritt mittels
Ventilationsvorrichtungen 9 katalysiert werden kann. Hierbei
kann ein Lüfter oder Gebläse eingesetzt werden,
die z. B. Luft in die erste Kammer 12 saugen. Die Ventilationsvorrichtung 9 wird
von einer photovoltaischen Zelle 3, die an der Glasscheibe 6 befestigt
ist, mit Strom versorgt. Hierdurch ist eine autarke solarbetriebene
Luftkollektion möglich. Auch sind Klappen in die Gaseintrittsöffnung
einsetzbar, die den Eintritt des Gases regulieren. In die erste
Kammer 12 können weiterhin Messgeräte
integriert sein, die den Druck in der ersten Kammer 12 messen
und den Eintritt eines Gases regulieren.
-
Zwischen
der ersten Kammer 12 und der Absorberkammer 13 ist
eine gasdurchlässige Mittelwand angebracht, die das Strömen
des Gases aus der ersten Kammer 12 in die Absorberkammer 13 zulässt.
Auch hier sind Ventilationsvorrichtungen oder Klappen verwendbar.
In der Absorberkammer 13 befindet sich der Absorber 5,
der vorzugsweise aus dreieckförmigen Elementen besteht
und aus Metall gefertigt ist. Um zusätzlich die Absorption
zu erhöhen, ist der Absorber 5 beschichtet. Der
Absorber 5 ist vorzugsweise auf einer Trägerplatte 10 angeordnet,
die aus dem gleichen Material wie der Absorber besteht. Durch die
Trägerplatte 10 ist ein direkter Kontakt zwischen
Absorber 5 und Sandwichplatte 11 unterbrochen,
wodurch eine günstigere Wärmedämmung
erreicht wird. In der Absorberkammer 13 befindet sich eine
Gasaustrittsöffnung 8.
-
Gas,
vorzugsweise Luft, strömt durch die Gaseintrittsöffnung 8 in
die erste Kammer 12 oder wird mithilfe der Ventilationsvorrichtung 9 in
die erste Kammer 12 geleitet. Ein Messgerät bestimmt
den Druck und reguliert gegebenenfalls den Einstrom des Gases. Sobald
das Gas in Überdruck in der ersten Kammer 12 vorliegt,
strömt es durch die gasdurchlässige Mittelwand 4 und
in die Absorberkammer 13. Dort zirkuliert es und umströmt,
d. h unter- und überströmt den Absorber.
-
Die
durch die Glasscheibe 6 einfallenden Sonnenstrahlen 14 treffen
auf den Absorber 5. Beim Auftreffen der Sonnenstrahlen 14 wird
nahezu der gesamte Spektralbereich des Lichtes absorbiert. Die dabei
freiwerdende Wärme soll nicht verloren gehen, weshalb der
Kollektor allseitig wärmegedämmt ist. Hierfür
sind die Kammern 12, 13 mit Isolierungen 7 (Dämmungen)
umgeben. Vorzugsweise werden aluminiumkaschierte Isolierungen verwendet,
die zum Einen den Verlust von Wärme reduzieren und zum Anderen
die Erwärmung der Bauteile, wie z. B. des Rahmens 1 verhindern
und so materialschonend sein.
-
Die
konvektive Wärmeabgabe nach vorn wird durch eine oder zwei
Glasscheiben 6 verringert. Wärme, die aufgrund
der Eigentemperatur des Absorbers 5 von diesem durch Emission
wieder abgestrahlt wird, kann größtenteils ebenfalls
durch die Glasscheibe 6 zurückgehalten werden,
da Glas für die höhere Wellenlänge nicht
transparent ist. Sie ist somit im Kollektor gefangen. Der erwärmte
Absorber 5 überträgt die Wärme,
d. h. die Energie, auf das in der Absorberkammer 13 zirkulierende
Gas.
-
In
der Absorberkammer 13 ist ein Thermostat angebracht, welches
die Temperatur in der Absorberkammer 13 bestimmt. Sobald
das zirkulierende Gas eine definierte Temperatur erreicht hat, wird
es durch die Gasaustrittsöffnung 8 in weiterverarbeitende
Anlagen, wie z. B. Klimaanlagen geleitet. Auch ist hier die Installation
von Ventilationsvorrichtungen oder Klappen denkbar, die den Austritt
des Gases aus der Absorberkammer 13 regulieren.
-
- 1
- Mehrkammer-Fensterprofil
- 2
- Dichtung
- 3
- photovoltaische
Zelle
- 4
- Mittelwand
- 5
- Absorber
- 6
- Glasscheibe
- 7
- Isolierung
- 8
- Gaseintritts-
und Gasaustrittsöffnung
- 9
- Ventilationsvorrichtung
- 10
- Trägerplatte
- 11
- Sandwichplatte
- 12
- erste
Kammer
- 13
- Absorberkammer
- 14
- Sonneneinstrahlung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 3014888
A1 [0007]
- - DE 9105184 U1 [0008]
- - DE 9200598 U1 [0008]
- - DE 19540500 A1 [0009]
- - DE 19612622 A1 [0009]