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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Solarkollektor und einen Wärmespeicher zur Gewinnung von Energie sowie deren Speicherung.
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Stand der Technik
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Solarkollektoren im Gebäudebereich in Verbindung mit einer Glasüberdeckung sind hinreichend bekannt. Ein Solarkollektor wird als eine Einrichtung definiert, die die Strahlungsenergie der Sonne absorbiert und in Wärme und/oder Strom umwandelt. Dabei werden Luft-Solarkollektoren von Luft durchströmt und diese im Kollektor erwärmt. In
DE 10 2010 018 632 A1 ist ein Luftkollektor offenbart, der insbesondere eine Glasabdeckung zur Erwärmung der Außenluft aufweist. Andere Luftkollektoren wie in
DE 20 2009 000 233 U1 arbeiten mit Lichtabsorbierende Beschichtungen in Verbindung mit transparenten Abdeckungen. Als Wärmespeicherung sind in der Regel unterirdische Speicher wie in
DE 3101537 A1 vorgesehen. Bekannte Solarzellen mit Siliziumzellen hingegen nutzen Lichtenergie, um hieraus Strom zu gewinnen, und nicht einen Wärmeträger, wie z. B. Luft, um zu erhitzen.
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Nachteil aller Solar-Luftkollektoren ist der Hintergrund, dass Luft eine geringere Wärmekapazität gegenüber Wasser aufweist und damit kommt der Luftführung bei Luftkollektoren eine hohe Bedeutung zu. Heute wird versucht die Luftführung und Fläche im Kollektor so zu optimieren, dass ein hoher Wirkungsgrat erreicht wird. Dabei kann, die zu erwärmende Luft unterhalb aber auch oberhalb des Absorbers strömen. Weitere Nachteile bekannter Luft-Kollektorvarianten begründen sich dadurch, dass ein höherer Strömungswiderstand eine homogene Durchströmung erschwert und durch die auftretenden Verwirbelungen Schmutzteile sich ablagern oder sogar den Absorber bzw. Kollektor verstopfen können. Ferner lassen sich bekannte Konstruktionen unzureichend oder gar nicht Steuern.
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Aufgabenstellung
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Die Erfindung ermöglicht eine wirtschaftliche und einfach zu steuernde Solarkollektorkonstruktion, um Wärmeträger wie Luft und/oder Flüssigkeiten zu erhitzen sowie in Verbindung mit Solarzellen eine Stromerzeugung zu ermöglichen. Zur Effizienzerhöhung der Energiegewinnung sieht die Erfindung ein Zusammenspiel von Wärme- und Stromerzeugung vor. Dabei kann der Wärmeträger auch ein Bauteil wie z. B. eine Fläche, Röhre oder ein Kanal sein, der einen Wärmeträger enthält. Ziel ist, den über das Sonnenlicht zu erhitzenden Wärmeträger und/oder die Stromerzeugung zu kontrollieren und diesen Kollektor zusätzlich zur Beschattung und/oder ebenso für eine Gebäudebelichtung und/oder zur direkten sowie indirekten Raumbelüftung einzusetzen. Es kann vorgesehen sein, dass der Kollektor ein Dach- und/oder Wandelement eines Gebäudes ist. Ferner durch eine änderbare Licht-Transparenz des Solarkollektors einen Einfluss auf die innere Gebäudebelichtung hat sowie über die Nachtphase hinweg eine zusätzliche Dämmung ermöglicht. In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erwärmte Wärmeträger (Luft, Flüssigkeit) in einen Erdisolierspeicher und/oder Isoliertank reversibel gespeichert wird. Weiter kann vorgesehen sein, die Innenbeleuchtung eines Gebäudes mit natürlichem Licht zu verbessern. Die Neuerung findet dabei insbesondere Anwendung im gewerblichen, öffentlichen sowie privaten Gebäudebau.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Solarkollektor nach Anspruch 1 und einem Wärmespeicher nach Anspruch 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Solarkollektor, in dem ein Wärmeträger zirkuliert oder strömt und der als Bauteil oder Bestandteil eines Gebäudes ausgeführt ist, sowie wenigstens eine transparente oder semitransparente Abdeckung oder Schicht aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, dass der Kollektor zumindest unter einer transparenten Schicht und/oder Dämmschicht eine bewegliche Fläche aufweist, um durch deren Ausrichtung; Beweglichkeit und/oder Auszug zumindest den Energieeintrag in den Wärmeträger zu ändern und/oder bewegliche Turbinenflächen enthält, um Energie zu erzeugen.
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Ziel der Neuerung ist darüber hinaus, die Zirkulation des Wärmeträgers so zu beeinflussen oder zu ändern, dass die Energieausbeute des Kollektors den Gebäudebedürfnissen angepasst wird. Denkbar sind zusätzlich innere und äußere Beschattungen, um die Energieausbeute und die Lichtdurchlässigkeit des Kollektors zu ändern und damit eine änderbare Belichtung und Raumbeschattung zu ermöglichen.
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Es ist dabei vorgesehen, dass die beweglichen Innenflächen selbst Solarmodule oder Solarzellen oder selbst lichtdurchlässige Flächen sind und/oder Lichtabsorbierende und/oder Licht reflektierende Flächen oder Flächenteile aufweisen können. Beispielsweise können diese Flächen eben, gewölbt und/oder strukturiert ausgeführt sein. Die zumindest justierbaren und/oder reflektierbaren Flächen können dabei zu einer steuerbaren Raumbeleuchtung beitragen. Über geeignete Lichtsensoren, welche die Beweglichkeit der Flächen steuern, wäre so eine natürliche Raumbeleuchtung möglich, die nur mit Tageslicht auskommt. Gleichzeitig würde dadurch auch der Energieeintrag in den Kollektor änderbar.
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Dabei kann vorgesehen sein, die Energieeffizienz, z. B. einer enthaltenden beweglichen stromerzeugenden Kollektorfläche z. B. auf der Basis von Silizium zumindest durch Luftkühlung zu ändern. Bekannt ist, dass der Wirkungsgrad derartiger Solarzellen sich bei einer Temperaturerhöhung von 25°C um etwa 10% und mehr reduzieren lässt. Die maximale Leistung des Moduls nimmt dadurch ab, dass sich der Energie-Bandabstand (Energieunterschied) bei höheren Temperaturen reduziert und entsprechend auch die Energie, die ein Lichtteilchen induzieren kann. Die vorbeiströmende Luft (Wärmeträger) über eine Solarzelle aus Silizium wird erwärmt, kühlt aber gleichzeitig die Solarzelle. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Solarzelle beweglich ist und durch Ihre Beweglichkeit die Transparenz des Kollektors zum inneren Raum des Gebäudes ändert und gleichzeitig dadurch eine Ausrichtung zur Sonne ermöglicht wird. Die beweglichen Flächen im Kollektor bewegen sich dabei in Richtung der höchsten Sonneneinstrahlung und ermöglichen weiter eine Änderung der Luftturbulenz im Kollektor. Diese Kühlung kann im Falle von Solarzellen aus Silizium den Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung und bei der Wärmeenergiegewinnung erhöhen bzw. ändern.
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Der im Kollektor zu erwärmende Wärmeträger kann dabei Luft sein, aber auch eine Flüssigkeit, die biologische Lebewesen (Algen, Bakterien o. ä.) enthält. Alternativ kann auch ein wachsartiges polymorphes Polymer als Wärmeträger zum Einsatz kommen, dass sich erst durch den Wärmeeintrag im Kollektor verflüssigt. Bevorzugt können Stoffe sein, die ihren Aggregatzustand durch Wärmeeintrag und/oder Wärmeentzug ändern und die in röhrenartigen Bauteilen im Innern des Kollektors angeordnet sind oder die im Kollektor bewegt werden.
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Es ist vorgesehen, dass der Solarkollektor zumindest eine transparente dichtende Deckschicht aus Glas oder eine zumindest transparente oder semitransparente Polymerfolie oder Membran aufweist. Der bevorzugte Kollektortyp ist dabei der, der oben und unten ein derartiges transparentes Material aufweist und wie ein Fenster Licht durchlässt und gleichzeitig als transparente Dämmschicht dient.
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Als eine mögliche Ausgestaltung, kann der Kollektor ein fester Bestandteil eines Gebäudes, wie z. B. eines Gebäudedaches, einer Gebäudewand sein. Denkbar ist aber auch, dass das gesamte Gebäude selbst der Kollektor ist. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass der Kollektor Teil einer seitlichen Außenwand ist. Befinden sich im Kollektor Turbinen bzw. drehbare Turbinenflächen so könnten diese durch die Aufsteigende und erhitzte Luft angetrieben werden. Bei hohen Gebäuden wie Wolkenkratzern wäre hiermit sogar die Gewinnung von elektrischem Strom über eine Turbine möglich, da hier die Luft über einen langen Weg viel Wärme aufnehmen kann. Befinden sich weitere Flächen in beispielsweise schachtähnlich aufgebaute Kollektoren, so können diese den Flächenanteil im Kollektorschacht weiter erhöhen. Damit erhöht sich auch der Energieeintrag in den Wärmeträger Luft. Derartige Turbinen wären dabei bevorzugt am höchsten Punkt des Gebäudes zu platzieren und würden zur Stromerzeugung genutzt werden können. In Wüstenregionen wären diese Vorrichtungen besonders sinnvoll zur Energiegewinnung einsetzbar. Durch die Drehbarkeit und Beweglichkeit der Turbinenflächen bzw. Rotorflächen kann der Energieeintrag in den Wärmeträger gesteuert oder zumindest beeinflusst werden.
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Technische und handhabbare Vorteile ergeben sich jedoch, wenn der Kollektor ein separates Bauteil ist. Damit ein transportierender Wärmeträger im Kollektor ein- und austreten kann, müssen Zu- und Ableitungen, die z. B. mit üblichen Dämmmaterialien ummantelt sind, am Kollektor angebracht sein.
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Die Erfindung sieht einen Kollektor vor, der im Innern zumindest eine ausziehende (vor- und zurück bewegende Fläche in Ausgestaltung von Gitterflächen, Lamellen, Gewebe- oder Folienflächen o. ä.) oder z. B. über eine Welle drehbare Fläche aufweist. Diese bewegliche Fläche kann im Falle eines transparent ausgeführten Kollektors (transparente Deck- und Bodenflächen) auch eine Beschattungsfläche sein. Diese Ausgestaltung wird insbesondere durch semitransparente Materialien herbeigeführt. Denkbar wären aber auch Flächen, die Linsen besitzen, um das hier durchtretende Sonnenlicht auf eine Solarzelle zu fokussieren oder auf ein Wärmeenthaltendes Leitungsrohr zu lenken.
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In Weiterbildung der Erfindung kann zumindest die bewegende und beschattende Fläche auch eine isolierende Fläche sein, insofern kleinere Flächenareale (z. B. drehbare Lamellen und/oder Flügel) sich zu einer Gesamtfläche oder vergrößerte Teilflächen zusammenfinden und einen weiteren Luftraum abtrennen oder unterteilen. Durch Aus- oder Einfahren der Fläche wird dabei nicht nur eine Beschattung herbeigeführt, sondern auch die Luftbeweglichkeit im Innern des Kollektors geändert. Es versteht sich von selbst, dass derartige Beschattungsflächen auch vor und/oder unter dem Kollektor geschaltet sein können und dadurch der Energieeintrag sich im Kollektor ändert. Vorgeschaltete bewegliche Beschattungsflächen können netzartig ausgeführt sowie zusätzlich als Hagelschutz im Dachbereich eingesetzt sein. Alternativ kann die innere bewegliche Fläche aus drehbaren Lamellen, Flügeln oder Parabolspiegeln bestehen. Die Lamellen wiederum können eigenständige Solarzellen aus Silizium sein, die um eine oder mehrere Achsen oder zumindest in Längsrichtung drehbar und parallel zueinander anordenbar sind.
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Denkbar sind auch parabolartig angeordnete Reflektionsfolien oder Spiegel, die das einfallende Licht im Kollektor reflektieren und dadurch die Erwärmung eines Wärmeträgers beeinflussen. Drehbare innere Kollektorflächen ändern die Beweglichkeit eines durch den Kollektor strömenden Wärmeträgers, wie z. B. Luft. Es entstehen je nach Strömungsgeschwindigkeit Turbulenzen im Kollektor, was wiederum dazu führt, dass die Verweildauer im Kollektor erhöht wird. Vorgesehen kann sein, dass der Wärmeträger über einen Wärmetauscher oder über eine Erdleitung abgekühlt und als Kühlung eingesetzt wird, um den Wirkungsgrad der Silizium Solarzellen im Kollektor zu erhöhen.
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Die Neuerung sieht geeignete auf dem Wärmeträger abgestimmte Zu- und Ausführleitungen oder Öffnungen vor, um das oder die zu erwärmenden Medien in den Kollektor ein- und auszuführen und durch Steuerung der Mediengeschwindigkeit sowie durch eine veränderbare Verwirbelung im Konnektor und dessen Erwärmung zu beeinflussen. Die Bewegung und Steuerung der Luft wird bevorzugt durch geeignete Turbinen, Rotoren o. ä. erzeugt. Denkbar wäre aber auch ein durch Schwerkraft arbeitender Kollektor. Diese Kollektoren müssten entsprechend groß ausgeführt sein, um Platz für die bewegten Luftmassen zu haben.
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Die Erfindung sieht insbesondere semi- oder transparente Kollektoren vor, um nicht nur Licht durch den Kollektor in einem dahinterliegenden Raum zu lassen, sondern auch zur Kühlung des Gebäude, zur Raumbefeuchtung oder allgemein zur Klimatisierung eines Gebäudes einsetzbar ist. Ferner ermöglichen derartige Kollektoren die Möglichkeit, zumindest angrenzende Flächen zusätzlich zu erwärmen und/oder zu isolieren. Dies kann in den kälteren Monaten die Energieeffizienz von Gebäuden insgesamt über Wände und/oder Dachflächen, an die der Kollektor angebracht ist, erhöhen oder durch erhöhte Turbulenz des Wärmeträgers.
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Das Wesen der Erfindung ist somit nicht wie üblich immer nur die höchste Energieausbeute zu erreichen, sondern eine auf ein Gebäude abgestimmte Wärme- und/oder Stromerzeugung zu ermöglichen und diese in einem Wärme- oder Energiespeicher einzulagern. Dabei kann das Ziel auch sein, die Energieeffizienz des Kollektors zu reduzieren, damit sich das Gebäude nicht unnötig aufheizt. Werden die neuartigen Kollektoren mit beabstandeten Folien aus Teflon oder ähnlichen Materialien als Wand- oder Dachteile eingesetzt und Innen durchströmt, so können dadurch Kosten bei der Wärmedämmung eingespart werden. Damit wird das Konzept der immer stärkeren Wärmedämmung von Gebäuden verlassen und durch ein steuerbares Kollektorprinzip ersetzt. In heute üblichen hoch gedämmten Gebäuden wird wieder Energie benötigt, um das Gebäude zu kühlen, insbesondere wenn größere Fensterfronten im Gebäude vorhanden sind, da die Wärme nicht entweichen kann.
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Ein Ziel der Erfindung ist lichtdurchflutete Lebensräume zu schaffen, in denen Pflanzen und Lebewesen sich entfalten können oder sich wohlfühlen. Die vorgesehenen neuartigen insbesondere transparent ausgeführten aus oberen und unteren lichtdurchlässigen Folien-Solarkollektoren ermöglichen die Einbeziehung und Nutzung der vier bekannten Elemente Feuer (Licht), Wasser, Luft und Erde (Silizium) in einem Kollektor und deren Beeinflussung durch in Innern vorgesehene bewegliche Flächen. Wässrige Medien können dabei in zusätzlichen Röhren im Kollektor oder frei bewegend z. B. durch ein Gefälle oder frei fallend von oben nach unten geführt werden. Röhren mit einem Gefälle haben den Vorteil, dass diese Kondenswasser ausleiten können. Derartige Medienführung würde gleichzeitig das Innere des Kollektors reinigen. Damit verlässt die Erfindung auch den Stand der Technik in der Form, dass der Kollektor nicht nur zur Energiegewinnung genutzt wird, sondern auch zur Raum- und Gebäudegestaltung. Der neue Kollektor kann gleichzeitig ein integriertes Dach- und/oder Wandelement eines Gebäudes sein, was wiederum Baukosten spart.
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Denkbar sind sogar Kollektoren in der Form, dass zwei beabstandete Folien oder Glasplatten einen begehbaren Raum in einem Gebäude (Dach und/oder Wand) begrenzen. In diesem Kollektorraum wiederum würde zumindest eine Solarkollektoren-, Reflektor- und/oder Beschattungsfläche und/oder medienführende Rohrleitung änderbar angeordnet sein. Vorteil derartiger großräumiger Solarkollektoren ist, dass diese sich besser warten lassen und darüber hinaus eine bessere Klimatisierung von Gebäuden ermöglichen, da große Wärmeträgervolumen wie Luft bewegt werden. Die Luft wiederum dient dabei auch als Isolator.
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In Weiterbildung wird die im Solarkollektor erzeugt Wärme oder der Strom reversibel gespeichert. Diese gewonnene Energie kann entweder Batterien in und/oder ein Erdspeichertank bevorratet werden. Als Wärmespeicher ist ein Erdspeicher denkbar, der dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Glasgranulatschicht oder ähnliches zumindest im Bodenbereich als Ummantellung und Wärmedämmung einen Erdspeichertank umkleidet. Diese Schicht sollte 10 bis zu 100 cm mächtig sein. Im Inneren dienen poröse Strukturen un/oder Kanäle zur Durchleitung des Wärmeträgers und als Austauschfläche.
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Der Erdspeicher kann als stabiler Bodenaufbau dienen, trägt eine Bodenplatte des Gebäudes und ist nach oben hin so gedämmt, dass Wärme über die Platte nicht ungehindert entweichen kann. Die zumindest untere Glasgranulatschicht (Bruchglas o. ä.) ermöglicht ferner, dass eingedrungenes Wasser sicher und effektiv über den Boden des Wärmespeichers abgeführt werden kann.
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Zur besseren Dämmung können auch zusätzlich bekannte Dämmmaterialien als Ummantelung eingesetzt werden. Der Wärmeaustausch erfolgt beispielsweise über einen größeren Zuführkanal, in dem eine große Anzahl abgehender Betonröhren, Kanal-Register o. ä. abgeht oder hierüber die Wärmemedien in den Erdspeicher eingeleitet und verteilt werden. Die Betonröhren sind beispielsweise mit einem sich verfestigenden Schüttgut eingebettet. Alternativ kann hier Porengestein, Röhrensteine oder Felsbrocken, die versetzt angeordnet sind, vorgesehen sein. Dabei wird die Luft oder Flüssigkeit bevorzugt mit Unterstützung einer Pumpe oder eines Ventilators in einem Kreislaufsystem geführt.
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Das Speicherkonzept sieht hier einen begehbaren Medienvorverteiler Raum vor. Dieser ist notwendig, damit der untere Speicher gewartet werden kann. Die Luftzuführung kann dabei im Druck- und/oder Zugverfahren geführt werden. Um die Luftzuführung zumindest in die Räume einzubringen, ist beabsichtigt, die umgewälzte Luft durch einen Luftfilter zu filtern. Ferner ist eine laminare Luftströmung im Speicher anzustreben.
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Einsatzgebiete und Ausführungsformen
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Das Einsatzgebiet des neuartigen Solarkollektors kann in einem Gebäude das Dach und/oder die Gebäudewand bilden, aber auch ein eigenständiges Bauteil sein. Dabei findet der Solarkollektor überall dort Anwendung, wo ein wirtschaftliches Gebäudeenergiekonzept benötigt und zusätzlich ein lichtdurchflutendes Gebäude errichtet werden soll. Die Ausgestaltung des Kollektors ermöglicht eine gewisse z. B. steuerbare Anpassung des inneren Gebäudeklimas sowie der beeinflussenden Umgebungsbedingungen sowie der Jahreszeiten (Winter, Frühling, Sommer Herbst) und dessen Einflüsse durch die im Kollektor enthaltenden Steuerelemente (bewegbare Flächen, Beschattungen, Spiegel, Solarzellen aus Silizium o. ä.). Dies z. B., wird möglich durch die Steuerung und Stellung der enthaltenden beweglichen Elemente im Innern des Kollektors.
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Folgende Ausführungen eines Solarkollektors mit Zu- und Ableitungen und in Kombination mit Flächen, die die Lichttransparenz des Kollektors beeinflussen, bieten sich an:
- 1. Kollektor bestehend aus beabstandeten Folien in einer Rahmenkonstruktion verspannt oder integrierten Wand- und/oder Dachelement zumindest mit vorgeschalteten oder integrierten Beschattungsflächen.
- 2. Kollektor bestehend aus beabstandeten Glasflächen und Bauteile wie Punkt 1.
- 3. Kollektor mit zusätzlich enthaltenden Röhren und/oder Flüssigkeit enthaltenden Mattenflächen.
- 4. Kollektor mit enthaltenden zumindest beweglichen Spiegelflächen und/oder paraboartig ausgeformten Spiegeln, um zumindest eine Innenraumbeleuchtung zu unterstützen.
- 5. Kollektor mit hellen und dunklen Flächen, die zum Licht hin drehbar sind.
- 6. Kollektor mit in einer Ebene beweglichen bzw. ausziehbaren oder um eine Achse drehbar angeordneten Flächen die auch beschatten können.
- 7. Kollektor mit Flächen, die Ihre Transparenz ändern können.
- 8. Kollektor mit Flächen, die Linsen enthalten oder selbst Linsen sind.
- 9. Kollektor mit Flächen die Isolationsmaterialien oder Schichten besitzen.
- 10. Kollektor, bei der zumindest eine Fläche eine Solarzelle ist, die aus Silizium besteht oder Teile hiervon enthält.
- 11. Kollektor mit zumindest beweglichen Turbinenflächen zur direkten Energieerzeugung.
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Weitere Ausführungen eines Solarkollektors mit Zu- und Ableitungen und in Kombination mit Flächen, die die Dämmung des Kollektors beeinflussen, bieten sich an:
- 1. Ein oberes transparentes oder semitransparentes ein- oder mehrschichtige Dämmmaterial.
- 2. Zwei beabstandete Dämmschichten durch die zumindest Luft zirkuliert.
- 3. Mehre innere ganz oder zum Teil abschottbare Trennflächen im Kollektor, die Luft an der Zirkulation durch den Kollektor hindert und diesen Wärmeträger auch als Isolatormaterial nutzt.
- 4. Eine Kombination aus transparenten Folien und transparenten Dämmmaterialien, um die Materialeigenschaften (z. B. die Lebensdauer) des Dammmaterials zu verbessern.
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Der Kollektor selber kann dabei folgende Bauteile oder Bauweisen besitzen:
- 1. Kollektor mit enthaltendem Gebläse zur Kühlung der Solarzellen
- 2. Kollektor mit Schrägstellung, um ein Gefällestrom zu erzeugen.
- 3. Kollektorflächen, die zwischen beabstandeten Balken, Fachwerkträger oder anderen Dach oder Wandelementen angeordnet sind und als Sichtschutz und/oder als Fensterausgebildet sind.
- 4. Begehbarer Kollektor z. B. als Gebäudeteil (Dach- oder Wandkonstruktion).
- 5. Schichtkollektor mit unterschiedlichen gestalteten Räumen.
- 6. Wandkollektor mit oder ohne eine innen liegende Turbine oder einem abführenden Schacht zum Antreiben einer außen liegenden Turbine oder zum Ableiten des Wärmeträgers.
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Eine bevorzugte einfache Ausgestaltung des neuartigen Kollektors besteht aus zwei beabstandeten Folien, die unter Spannung aber auch hängend zwischen zwei Tragstrukturen angeordnet sind. Zum Ein- und Ausleiten von Luft sind geeignete Leitungen vorgesehen. Mögliche Tragstrukturen sind Balken oder andere Tragkonstruktionen (z. B. Bambus, Beton- oder Stahlträger etc.). PTFE, beschichtete oder andere innere Folienmaterialien können bevorzugt eingesetzt sein. Zwischen den beabstandeten Folien sind einzeln oder der Läng nach drehbare Flächen angeordnet, mit der die Transparenz des Kollektors steuerbare ist. Die Steuerung der Lichtdurchlässigkeit erfolgt durch Drehen dieser Flächen oder kann über Schallosienen oder Rollos erfolgen.
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Bei einer anderen Ausgestaltung liegt zumindest eine Folie oder ein transparentes Material auf eine transparente Dämmschicht auf oder ist hiervon beabstandet. Die Dämmschicht kann dabei als Tragkonstruktion ausgestaltet sein. Der Boden des Kollektors kann dabei ebenfalls aus einem transparenten Material gebildet sein. Damit sich der im Kollektor bewegende Wärmeträger (z. B. Luft) optimal erwärmt und der Wärmeverlust gering ausfällt, befindet sich hier ebenfalls eine Dämmschicht.
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Vorteilhaft ist, wenn auch diese Schicht transparent ausgeführt ist. Zur Reinigung des Kollektors wird eine innen liegende PTFE-Schicht oder Folie und/oder eine Dampfbremse eingesetzt. Dieses Material zeichnet sich dadurch aus, dass es schmutzabweisend ist und somit die Reinigung erleichtert. Die Steuerung der Lichtdurchlässigkeit lässt sich durch eine transparentändernde Beschichtung oder durch ein Rollo und/oder durch bewegliche Flächen bewerkstelligen. Transparente ändernde Schichten können z. B. über Energiezuführung ihre transparenten Eigenschaften ändern. Dabei kann über Sensoren im oder in der Umgebung des Kollektors die Energieausbeute sowie die Durchlässigkeit des Kollektors gesteuert werden. Zum Luftdurchfluss besitzt der Kollektor einen oder mehrere Ein- und Auslassöffnungen. Entweder besitzt der Kollektor eigene Ventilatoren oder Pumpen zur Wärmeträgerbewegung (Luft, Flüssigkeit) oder ist an einem Flüssigkeits- und/oder luftbewegten Kreislaufsystem angeschlossen.
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Bei einer anderen Ausgestaltung ist der Kollektor als mobiles Bauelement ausgeführt und besitzt Zu- und Ausleitungen. In einer Rahmenkonstruktion, wie bei einem Fenster, sind beabstandete transparente Folien oder Glasflächen als Deck- und Bodenflächen vorgesehen. Durch im Innern des Kollektors angeordnete drehbare Lammelen oder Flächen sorgen diese für eine Beschattung und/oder für die benötigte Turbulenz im Kollektorraum. Die Drehung der Lamellen kann manuell aber auch über einen Motor erfolgen. Zur Reinigung der inneren Flächen kann die Rahmenkonstruktion vorzugsweise geöffnet werden.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht zumindest einen semitransparenten oder nicht transparenten Kollektor vor, der nach außen hin isoliert ist und im Inneren bewegliche Parabolspiegel oder parabolartig angeordnete Reflektionsfolien aufweist. Der Wärmeträger wird über Zu- und Ableitungen über ein Rohr in den Kollektor eingebracht. Zur Erhöhung der Energieausbeute wird im Kollektor zusätzlich Luft bewegt und diese ebenfalls über Zu- und Ableitungen in den Bodenspeicher eingebracht.
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Das Einsatzgebiet eines geeigneten Speichers ist in der Erde verbaut und kann dabei als Bodenplatte nach oben hin das Gebäude tragen aber auch separat vom Gebäude entfernt angeordnet sein. Der Speicher kann aus mehreren parallel angeordneten Speicherelementen bestehen oder als ein Gebäudeteil zum Wärmeaustausch für flüssige und gasförmige Wärmeträger ausgebildet sein. Denkbar ist auch ein segmentierter oder ein kombinierter Bodenspeicher, der von unterschiedlichen Wärmeträgern durchström bar ist.
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Folgende Ausführungen eines Speichers mit Zu- und Ableitungen, inneren Kanälen oder durchfließbaren Räumen und in Kombination mit Isoliermaterialien, bieten sich an:
- 1. Speicher bestehend aus zumindest einer unteren und/oder ummantelden isolierenden Glasganulatschicht oder ein Schaumgranulat.
- 2. Speicher mit einer integrierten Bewässerung zur Befeuchtung der Luft.
- 3. Speicher bestehend aus einem gleich- oder ungleichmäßig angeordneten Masseelement oder Felsbrocken, um die oder durch die der Wärmeträger strömen kann.
- 4. Speicher aus geschichteten Porengestein oder Hohlziegel mit durchgängigen Räumen
- 5. Speicher mit durchleitenden Röhren oder Röhrenflächen, die zumindest in Granulat, einem Natursteingemisch oder in einem wärmespeichernden Material eingebetet sind.
- 6. Speicher mit geneigten Röhren, um durch eine Schrägstellung Kondenzwasser abzuleiten.
- 7. Speicher mit zumindest einem begebbaren Zu- und/oder Ausleitungsvorraum, um den Wärmeträger volumenbezogen gleichmäßiger ein- und ausleiten zu können.
- 8. Speicher mit durchgezogenen unterschiedlich großen Rohrleitungsquerschnitten, in die unterschiedliche Wärmeträger fließen oder strömen.
- 9. Wärmespeicher mit einer lamminaren Strömung durch den Speicher.
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Der bevorzugte Speicher besitzt nach unten hin eine erste Granulatschicht sowie seitliche Isolierplatten, die nach innen hin einen befüllbaren Raum ermöglichen. Als Tragkonstruktion für die abschließende Bodenplatte enthält der Speicher Rundfundamente, auf die eine Tragkonstruktion ruht. Bevor eine Bodenplatte aufgetragen wird, wird diese ausreichend nach unten hin gedämmt. Alternativ kann die äußere Konstruktion auch ein Betonbecken sein, dass nach innen hin ausreichend isoliert ist. Zur Verteilung des Wärmeträgers befinden sich seitlich gut zugängliche Ein- und Ausleitungsräume, von denen aus viele Durchführleitungen in den Speicher abgehen. Die Bewegung des Wärmeträgers erfolgt z. B. durch Ventilatoren oder Pumpen.
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Denkbar wäre auch ein Speicher der segmentartig aufgebaut ist und wie nach einem Baukastenprinzip in Reihe oder hintereinander aufgebaut und in die Erde eingebracht wird. Derartige Speicher können so besser den Gebäudeanforderungen angepasst werden.
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Die Erfindung ist überall dort anwendbar, wo die Energieeffizienz von Gebäuden zumindest steuerbar energieautark sein soll. Darüber hinaus ist es auch sinnvoll einsetzbar, wo der Kollektor eine Raumbeleuchtung und/oder Raumbelüftung ermöglicht und zusätzlich auch noch Strom erzeugen kann.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert.
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1. zeigt im Schnitt einen Solarkollektor mit innenliegenden Lamellen.
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2. zeigt im Schnitt einen Solarkollektor als ein Gebäudeteil.
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3. zeigt im Schnitt einen flachen Luftsolarkollektor mit Solarzellen aus Silizium.
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4. zeigt im Schnitt einen Kombisolarkollektor zur Erwärmung von Luft und Flüssigkeit.
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6. Wandkollektor im Schnitt mit innen liegenden drehbaren Turbinenflächen.
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5 zeigt im Schnitt einen Erdspeicher mit einem Vorraum.
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1. zeigt im Schnitt einen Solarkollektor mit innenliegenden Lamellen. Die Darstellung A der Erfindung zeigt einen transparenten Luftsolarkollektor 10 als ein eigenständiges Bauteil. Eine witterungsbeständige äußere Folie 1 (PTFE-, ETFE-Folie etc.) liegt auf einem zumindest semitransparenten stabilen Isoliermaterial 2 (Glas- oder Kunststoffkörper als Dämmschicht) auf. Auch der Boden des Kollektors besteht aus einer innenliegenden Folie 1 auf einem stabilen Isoliermaterial 2. Liegt, wie hier dargestellt, eine Folie 1 auch im Innenraum, so kann der Kollektor besser gereinigt werden, wenn die Folie z. B. schmutzabweisend beschichtet ist oder ganz aus einem schmutzabweisenden Material besteht. Das Dämm- bzw. Isoliermaterial wird dabei vor Verschmutzung geschont. Denkbar ist auch ein anderer Aufbau der Schichten. Der schichtartige Aufbau des Kollektors 10 wird von einer Rahmenkonstruktion 11 zusammengehalten. Der Rahmen und/oder die Verbindungselemente 11 pressen die transparenten Materialien auf einen Fixierungsrahmen 5. Zur Abdichtung befinden sich an den Grenzschichten geeignete Dichtelemente 8. Über den Fixierungsrahmen 5 sind bewegliche Flächen 3 über einen Lagerstift 6 in einem Lager 7 montiert. Das Lager 7 kann dabei so ausgeführt sein, dass es auch eine Stromweiterleitung ermöglicht. Die Innenliegenden Flächen 3 können unterschiedliche Flächen aufweisen. Denkbar sind hier farblich unterschiedliche Flächen (schwarz, weiß oder anders), Spiegelflächen oder Solarzellen aus Silizium. Damit man die Flächen 3 bewegen kann sind die Flächen untereinander mit einem Zugseil, das durch Öffnungen 4 geführt ist, miteinander verbunden. Der Innenraum 9 des Kollektors 10 wird von Luft durchströmt. Stehen die Flächen senkrecht, so kann Licht (mit Pfeil a dargestellt) durch den Kollektor 10 in einem hinter dem Kollektor liegenden Raum scheinen. Durch Bewegen der Flächen in die Horizontale wird die Lichtdurchdringung unterbunden und der Luftdurchfluss weniger behindert. Nicht dargestellt sind die Ein- und Auslassleitungen des Kollektors.
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Die Abbildung B zeigt senkrecht stehende Kollektorinnenflächen mit unterschiedlich gestalteten vorder- 13 und rückseitigen 12 Flächen. Die Flächen 3 sind über einem Seilzug 25 miteinander verbunden. Die Beweglichkeit und Lagerung der Flächen 3 übernehmen seitliche Lagerstifte 6. In Abbildung C ist eine geschlossene Fläche im Kollektor 10 dargestellt. Die obere Fläche 13 kann z. B. die Lichtdurchlässigkeit unterbinden. Durch die farbige Gestaltung der Flächen kann hier mehr oder weniger eine Aufheizung der Flächen erzeugt werden. Diese Flächen dienen beispielsweise zur Beschattung angrenzender Räume oder können über Spiegelflächen Licht in Räume leiten und/oder flächige Solarmodule aus Solizium (Solarfolien etc.) aufweisen und so Strom erzeugen. Gleichzeitig wird vorbeiströmende Luft erwärmt und im Falle von Solarzellen diese über die strömende Luft gekühlt.
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2. zeigt im Schnitt einen Solarkollektor als ein Gebäudeteil. Die Darstellung 20 zeigt einen begehbaren Luftsolarkollektor als eine Dachkonstruktion. Denkbar ist auch eine Ausgestaltung als Gebäudewand mit einem innenliegenden Rollo oder ähnlichem denkbar. Nach außen hin liegt eine witterungsbeständige transparente Folie 1 auf einer stabilisierenden Dämmschicht 2 auf und diese wiederum liegt auf einer Dachkonstruktion 16 (Balken o. ä.) auf. Nach außen hin bildet dieser Aufbau das Dach. Nach innen wird ein begehbarer Raum 26 dadurch geschaffen, dass wiederum eine Folie 1 auf eine stabile Dämmschicht 2 liegt und diese zusammen auf einer Stützkonstruktion 18 (Decke o. ä.) liegen. Damit das Ganze begehbar wird, liegen beabstandete Trittflächen 17 auf der Folie 1 auf. Um den Lichtdurchtritt (Dargestellt durch Pfeil a) des Kollektors 20 zu reduzieren, kann eine Beschattungsbahn in Ausgestaltung eines Gewebes oder einer Folie 14 über eine Schienenkonstruktion 15 im Inneren des Kollektor vor- und zurück bewegt werden. So lässt sich der Lichtdurchtritt unter der Stützkonstruktion 18 oder hier direkt liegenden Räumen ändern. Über große Öffnungen wird der Kollektor mit bewegbarer Luft durchströmt. Es ist auch denkbar, dass derartig große Räume untereinander abgetrennt sind, um eine bessere Steuerung der Wärmezufuhr ins Gebäude und in einem Wärmespeicher zu regeln.
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3. zeigt im Schnitt einen flachen Luftsolarkollektor mit Solarzellen aus Silizium. Der kompakte Kollektor 30 kann als einzelnes Bauteil oder als integriertes Element eingebaut sein. Als Deckschicht kann eine Glasplatte 19 oder eine Folie dienen. Unter der Glasplatte befindet sich vorzugsweise eine transparente Dämmschicht 2. Im weiteren Aufbau des Kollektors wird ein Solarmodul 23 aus Silizium in einer Folie 21 oder als für sich stehendes Kollektorbauteil unter einer weiteren Dämmschicht 2 angeordnet. Damit Luft den Kollektorraum 9 durchströmen kann, befinden sich mehrere Ein- und Auslassöffnungen 22 bzw. Zu- und Ausleitungen am Kollektorrahmen 5. Das Ganze kann durch einzelne Halterungsteile 11 oder durch einen Halterahmen fixiert sein. Um die Durchlässigkeit zumindest der oberen Glasplatte zu ändern, kann hier eine über Strom aktivierbare Schicht vorhanden sein (mit + und – dargestellt). Vorteil der Konstruktion ist, dass das Solarmodul nicht zu heiß wird und die Lebensdauer erhöht wird. Alternativ kann das Stromerzeugende Solarmodul auch im Innenraum 9 des Kollektors angeordnet sein.
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4. zeigt im Schnitt einen Kombisolarkollektor zur Erwärmung von Luft und Flüssigkeit. A stellt ein Kombisolarkollektor dar. Dabei vereinigt die Abbildung 40 zwei Wärmeerzeugende Systeme. Ein System erhitzt Luft im Kollektorraum 9 und ein anderes System erhitzt Flüssigkeit in einem Rohr 23. Der Kollektorraum 9 kann dabei von Dämmelementen 2 und einem stabilen Rahmen 5 gebildet sein. Um das einfallende Licht kann so umzulenken, dass sich die Flüssigkeit im Rohr erhitzen kann, werden mehrere Parabolspiegel 24 oder Parabolfolien parallel und beweglich angeordnet. Die Parabolflächen 24 können über einen Seilzug der über Öffnungen 4 in den Flächen bewegt werden. Das einfallende Licht kann entsprechend dem Sonnenstand geführt werden. Konstruktiv besteht der Kollektor aus mehreren Parabolflächen 24, die jeweils ein flüssigkeitsführendes Rohr besitzen. Abbildung B. zeigt einen Ausschnitt des Kollektors 40. Die Parabolfläche 24 kann über einen Seilzug 25 vor und zurückbewegt werden. Das Rohr 23 ist dabei zentral und beabstandet angeordnet.
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5. zeigt einen Wandkollektor im Schnitt mit innen liegenden drehbaren Turbinenflächen. Der gezeigte Wandkollektor 50 besitzt im oberen Teil bewegbare Turbinenflächen 38. Um den Lufteinlass zu regeln, befinden sich zumindest im unteren Teil eine bewegbare Fläche 3, um den Lufteinlass zu regulieren. Dabei kann die Fläche 3 selbst auch schwarz oder eine Solarzelle sein, um den Energieeintrag zu erhöhen. Alternativ können im Kollektor weitere bewegbar Flächen angeordnet sein, um den Energieeintrag und/oder die Durchströmung zu beeinflussen oder zu erhöhen. Der Kollektor 50 ist so aufgebaut, dass vor einer Gebäudewand 39 eine transparente oder semitransparente Fläche oder Folie 1 angeordnet ist. Damit die Gebäudewand Luft erwärmen kann, ist eine schwarze Wandfläche oder Schicht 41 vorgelagert. Alternativ kann anstelle der Schicht auch eine Fläche, die aus geschwärzten Rohrleitungen gebildet wird, vorgesehen sein, in den flüssiges Medium fließt. Vorzugsweise ist der Wandkollektor 50 segmentartig mit durchgängigen Innenräumen 9 (Luftschacht) ausgebildet. Um in diesen Schacht Luft einzuleiten, befindet sich zumindest im unteren Bereich des Kollektors eine Einlassöffnung mit oder ohne einem vorgeschalteten Filter oder Filtergitter. Die aufsteigende Luft (Pfeil a) wird im Kollektorschacht erhitzt, steigt auf und treibt eine Luftturbine bzw. bewegt Luftturbinenflächen 38 (Pfeil b). Dabei kann der Schacht 9 sich nach oben hin verjüngen, um die Luftströmungsgeschwindigkeit weiter zu erhöhen.
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6. zeigt im Schnitt einen Erdspeicher mit einem Vorraum. Der Erdspeicher 60 befindet sich unmittelbar unter einem Gebäude. Den Abschluss bildet eine Bodenplatte 27. Diese Bodenplatte wird von einem Fundament 29 getragen. Um einen Wärmeträger in den Speicher 60 gleichmäßig zu verteilen und einen Zugang zu haben, hat der Speicher einen Vorraum 31. Die über zumindest einer Zuleitung 36 eingebrachten Wärmeträger werden über die isolierten und beabstandeten Vorräume 31 in vorzugsweise parallel geführte Rohrleitungen 37 eingebracht und wieder ausgeführt. Der Wärmeträger kann über einen Ventilator im Vorraum aber auch hiervon unabhängig bewegt sein. Die Rohleitungen 37 sind vorzugsweise in einer sich selbstverfestigten Gesteinsmasse 35 eingebettet. Damit eingedrungendes Wasser aus dem Speicher entfernt werden kann (dargestellt durch Pfeil b.), befindet sich am Speicherboden eine Granulatschicht 32 z. B. eine Glasschotterschicht. Diese Schotterschicht 32 zeichnet sich dadurch aus, dass diese auch die erforderliche Dämmung erzeugt. Der Speicher ist zusätzlich mit einem geeigneten Isoliermaterial 28 ausgekleidet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010018632 A1 [0002]
- DE 202009000233 U1 [0002]
- DE 3101537 A1 [0002]
