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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 gasförmigenMedien unter Benutzung des autarken solarbetriebenen Luftkollektors.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 14 888 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.
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Gegenstand von
DE 91 05 184 U1 und
DE 92 00 598 U1 sind Solarkollektorlösungen, bei denen eine transparente Hohlkammerplatte aus Kunststoff als Kollektorgehäuse eingesetzt wird, d. h. die Hohlräume der Platte vom Luftstrom durchsetzt werden.
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Des weiteren sind aus
DE 195 40 500 A1 und
DE 196 12 622 A1 Kollektoren zur solaren Erwärmung von Flüssigkeiten bekannt, bei denen als Trägerelement Sandwich-Bauplatten eingesetzt werden, die eine in Plattenlängsrichtung ausgeprägte rippenartige Profilierung aufweisen.
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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.
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Die Druckschrift
FR 2 497 929 A2 offenbart eine Heizvorrichtung mit einem Rahmen, einer transparenten Fläche und einem Absorber sowie einem Solarmodul. Der Absorber ist in Form einer Platte ausgestaltet, wobei die Platte in einem Neigungswinkel in einem Freiraum zwischen dem wärmeisolierenden Rahmen und der transparenten Fläche eingeschlossen vorliegt. Die Absorberplatte absorbiert Sonnenstrahlung und erwärmt sich dadurch. Ein Einlass und Auslass in der Vorrichtung sind dazu eingerichtet, mithilfe eines Ventilators, Luft um die absorbierende Platte herum zum Auslass zu zirkulieren. Der Ventilator wird bevorzugt mit erzeugter elektrischer Energie über das Solarmodul angetrieben.
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Die Druckschrift
FR 2 727 790 A1 offenbart ein hybrides Solarmodul. Ziel der Vorrichtung ist dabei, neben der Generierung von Strom, gleichzeitig auch die entstehende Wärmeenergie zu nutzen und ein Gas zu erwärmen. Die offenbarte Vorrichtung umfasst dabei ein Flächenelement mit integrierten Solarzellen parallel liegend zu einem weiteren Flächenelement. Senkrecht zu beiden Flächenelementen sind Zwischenwände/Mittelwände ausgestaltet, die mehrere Kammern innerhalb des Solarmoduls definieren. Die Trennwände sind aus Kupfer, Aluminium oder aus anderem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit ausgestaltet. Zudem weisen die einzelnen Trennwände Öffnungen auf, welche es ermöglichen, dass ein Gas zwischen den Kammern strömen kann. Über Sonneneinstrahlung aufgenommene Wärme wird über die gute Wärmeleitfähigkeit der Zwischenwände in die Kammern der Vorrichtung geleitet, wodurch sich ein durchströmendes Gas erwärmt.
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Die Druckschrift
FR 2 535 444 A1 offenbart einen solarbetriebenen Luftkollektor, wobei hinter einer transparenten Ebene ein abgedichteter Freiraum mit einem Absorber ausgestaltet ist. Der Absorber ist aus Metall und weist eine Aneinanderreihung von dreieckförmigen Elementen auf. Dieser wird durch Sonneneinstrahlung erwärmt. Ein Einlass und ein Auslass im Kollektor sind dazu eingerichtet Luft durch den Kollektor zu leiten, welche innerhalb des Absorbers erwärmt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es einen einfach konstruierten und selbstregulierenden solarbetriebenen Luftkollektor bereitzustellen, der die Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist.
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Überraschenderweise wird diese Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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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.
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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.
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Hauptanwendungen für den erfindungsgemäßen Luftkollektor sind Luftheizungsanlagen; Wärmepumpenheizungen; Trocknungsanlagen der Lebensmittel- und Futterindustrie; raumlufttechnische Einrichtungen; Anlagen zur Brauchwasservorwärmung; Strahlungsheizanlagen.
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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.
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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, Polyimid, und/oder Polybenzimidazol verwendet.
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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.
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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.
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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.
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Es ist bevorzugt, dass die Glasscheibe, aus einem transparentem Material, umfassend Solarglas, oder Kunststoff, besteht.
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Im Sinne der Erfindung bezeichnet Transparenz eine Eigenschaft von Materie, elektromagnetische Wellen hindurchzulassen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 weit-erverarbeitende 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.
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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.
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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.
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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 Emissionwieder abgestrahlt wird, kann größtenteils ebenfalls durch die Glasscheibe zurückgehalten werden, da Glas für die höhere Wellenlänge nicht transparent ist.
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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.
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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.
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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.
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Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den übrigen Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung wird nunmehr anhand von Figuren beispielhaft beschrieben, es zeigen:
- 1 Solarbetriebener Luftkollektor
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 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
