DE2455576A1

DE2455576A1 - Sonnenheizzelle

Info

Publication number: DE2455576A1
Application number: DE19742455576
Authority: DE
Inventors: John Harland Anderson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-03-11
Filing date: 1974-11-23
Publication date: 1975-09-18
Also published as: FR2360839B1; ES434103A1; JPS50122740A; JPS5526376B2; IT1026365B; CA1002840A; FR2360839A1

Description

Patentanwalt
Dr. Vhlinirf-Späth , 51 P 13

John Harland Anderson, Box 397» Route 3, Prior Lake, Minnesota,

Sonnenheizzelle

Die Erfindung betrifft ein Sonnenenergie-Auffangsystem, insbesondere ein derartiges System mit einer Sonnenzelle, welcher ein Energieübertragungsfluid zugeführt wird, um in wirksamerer Weise Energie von Sonnenstrahlen zu absorbieren» Das erfindungsgemäße System dient demzufolge zur Optimierung und wirksameren Ausnützung der Gewinnung von thermischer Energie aus den verfügbaren Sonnenstrahlen.

In normalen Breiten, insbesondere in solchen mit we.niger als 50 vom Äquator, kann normalerweise eine angemessene Sonnenenergie verwendet werden, um eine Beheizung von Bauwerken zu unterstützen und auch zur Schaffung von Energie für industrielle Vorgänge beizutragen, beispielsweise auf dem Gebiet der Dampferzeugung oder dergleichen. Insbesondere kann Sonnenenergie, die universell zur Verfügung steht, aufgefangen werden, um den Verbrauch von fossilen oder anderen Brennstoffen zu reduzieren, welche normalerweise in erheblichen Mengen für Energieerzeugungsvorgänge verwendet werden. Da die Nachteile dieser Brennstoffe steigend aktuell werden, ist man bestrebt, Energie von anderen Quellen zu erhalten, wobei universell zur Verfügung stehende Sonnenenergie zum Zwecke einer günstigen Ausnützung entnommen werden kann. ■

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Bisher sind Sonnenenergie-Auffangsysteme bekannt, bei denen eine Zelle mit einer dunklen oder geshwärzten Fläche versehen ist, um die Zellenoberfläche besser aufzuheizen, wobei das. Energieübertragungsfluid über die beheizte Fläche oder die Zelle strömen gelassen oder in anderer Weise bewegt wird. Hierbei wird Energie von der beheizten Zellenfläche auf das Übertragungsfluid primär durch eine Wärmeleitungsübertragung abgeführt. Danach wird das erwärmte Übertragungsfluid zu einer zweiten Umwandlungsfläche geführt, wo Wärme abgegeben wird; das Übertragungsfluid wird an diesem Punkt entweder abgeleitet oder zum Zwecke der erneuten Erwärmung durch das System zurückgeführt.

Bisher wurden verschiedene öle, Glykole oder Wasser als Energieübertragungsfluid verwendet. Obgleich alle diese Stoffe normalerweise zur Verfügung stehen und zweckmäßig sind, wird Wasser wegen seiner allgemeinen Verfügbarkeit und geringen Kosten bevorzugt. Da Wasser jedoch entweder transparent oder tranluzent ist, muß die auf das Wasser oder von diesem weg übertragene Energie primär durch leitende Elemente übergeben werden. Wenn öle, Glykole oder dergleichen eingesetzt werden, ergeben sich im wesentlichen ähnliche Überlegungen.

Erfindungsgemäß wird jedoch vorgezogen, das Energieubertragungs—" fluid so zu behandeln, daß es im vorliegenden Zustand absorbierendes Material enthält, beispielsweise Ruß oder dergleichen,, Das absorbierende Material wird vorzugsweise über das System mittels eines geeigneten Dispersanten verteilt, wenn eine totale Mischbarkeit nicht leicht erreichbar ist. Die Zelle nach der vorliegenden Erfindung ist auch mit einer inneren Energiesichtoder -aufnahmefläche versehen, welche auf auftreffende Sonnenstrahlung senergie anspricht, um eine stark reflektierende· oder stark absorbierende Oberfläche vorliegen zu haben, wobei diese Oberfläche den Sonnenstrahlen zugewendet ist, vorzugsweise senkrecht hierzu, und wobei die Energieaufnahmefläche entweder poliert oder geschwärzt ist, um die Wirksamkeit des Energieauffangsystems zu steigern oder in anderer Weise zu verbessern.

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Bei dem bevorzugten System wird Wasser ale Energieübertragungsfluid wegen seiner verhältnismäßig hohen Wärmekapazität verwendet; wenn Wasser auf diese Weise verwendet wird, liegt Ruß zusammen mit einem Dispersanten ebenfalls in der Lösung vor.

Normalerweise 'enthält ein System eine Füllung Wasser, "beispielsweise angenähert 5680 Liter für einen üblichen Aufstellorty wobei das Wasser Wärme an eine im Inneren des Gebildes vorgesehene Übertragungssubstanz abgibt. Übliche Wärmeaustauscher einschließlich Gesteinskammern können verwendet werden, wobei etwa 5680 bis 11360 Liter Wasser verwendet werden, um die Erwärmung einer zweckmäßigen örtlichen "Verweilmenge zu gewährleisten. Die erforderliche Oberfläche für die Sonnenenergie-^Auffangzelle ist eine Funktion des Endverbrauches, beispielsweise der zum Abnehmen der Energie aus dem Übertragungsfluid zu verwendenden Fläche. Die Strömungsdurchsätze und die Verweilzeit stellen einen beträcnt-.liehen Faktor zusammen mit anderen Auslegungsparametern dar. Ferner können Zustandsänderungen auftreten, möglicherweise in "Verbindung mit Dampferzeugung.

^ie wird vom Fixstern in Form eines breiten Wellenspektrums abgestrahlt. Kürzere Wellenlängen als ultraviolette Strahlen und größere Wellenlängen als infrarote Strahlen sind enthalten, wobei dazwischen die sichtbaren Wellenlängen liegen. An bewölkten Tagen erreichen weniger als etwa 50 % der Sonnenenergie die Erdoberfläche, und zwar nahezu der gesamte Anteil in Form von sichtbarem Licht. Die anderen Wellenlängen, d.h. die kürzeren und die größeren Wellenlängen, werden entweder durch die Wolken in den Raum reflektiert oder durch die Atmosphäre absorbiert. Es ist jedoch bekannt,.daß die durchschnittliche Energiemenge, welche schließlich auf die Erde gelangt, weit gegenüber derjenigen Energiemenge überwiegt, die zum täglichen Verbrauch erforderlich ist.

Bei üblichem Verweilen ist die Dachoberfläche der günstigste und bestzugängliche Bereich zur Anbringung einer Energieabsorptionszelle. Es sind Mittel vorgesehen, um sowohl diese Energie in

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einem Übertragungsfluid aufzunehmen als auch danach das Fluid zu einem Bestimmungsort zu überführen, wo die Wärmeenergie abgegeben werden kann«,

Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines gegenüber dom Stand der Technik verbesserten Sonnenenergie-Auffangsystems, welches eine Sonnenzelle mit einem entsprechend, hohen Wirkungsgrad aufweist, um Sonnenergie aus den verfügbaren Sonnenstrahlen aufzufangen. Die Erfindung schafft ein derartiges System unter "Verwendung einer Sonnenzelle, welche eine Energieübertragung auf einen an sich absorbierenden Stoff enthält, der direkt in dem Energieübertragungsfluid vorhanden ist. Bei einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird das Energieübertragungsfluid über eine freiliegende Fläche der Zelle geleitet, wobei der die Wärme absorbierende Stoff gleichmäßig in dem Fluid verteilt ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig„ 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 ein gegenüber Fig» Λ ausgestaltetes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Zirkulationspumpe, ebenfalls in schematischer Darstellung,

c 3 ein Ausführungsbeispiel einer einen Bestandteil einer erfindungsgemäßen Anordnung bildenden Sonnenenergie Auffangzelle in Draufsicht,

F g. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 von Fig„ 3,

Fig., 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung einschließlich einer Eückzirkulationseinriclitung in perspektivischer und schematischer Darstellung«.

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Gemäß Fig. 1 umfaßt ein Sonneneaergie-Auffangsystem 10 eine Zelle· 11, die zum Durchleiten eines Energieübertragungsfluids eingerichtet ist. Ein eingangsseitiger Speicher 12 dient zur Aufnahme einer Füllung von Energieübertragungsfluid 13. Auslaßseitig ist ein zur Aufnahme von Fluid 13 bestimmter Speicher 15 vorgesehen. Das Energieübertragungsfluid wird durch die Zelle geführt, wie dies in der Zeichnung durch entsprechende Pfeile veranschaulicht ist, wobei ein Oberflächenteil 16 der Zelle mit einer schwarzen Wärmeabsorptions-Oberflächenbeschichtung versehen ist, um die Menge der aufgenommenen und durch diese Fläche gesammelten Energie zu speichern. Das Energieübertragungsfluid 13 ist normalerweise durchscheinend und befindet sich ebenfalls normalerweise bei normaler umgebungstemperatur im flüssigen Zustand. Die normalen Umgebungsbedingungen sind solche Bedingungen, wie man sie normalerweise für Anordnungen dieser Art findet; wenn Wasser als Energieübertragungsfluid verwendet wird, kann ein Gefrierschutzmittel zugeführt werden, f-¹J-Is irgendein Teil des Systems Temperaturen unter O C ausgesetzt ist. Das Energieübertragungsfluid ist mit einem Sonnenenergie-Absorptionsstoff versetzt, um den Wirkungsgrad der Anordnungen zu steigern. Der Sonnenenergie-Absorptionsstoff liegt in dem Energieübertragungsfluid in einer ausreichenden Menge vor, um das Fluid im wesentlichen undurchlässig zu machen. Dieser Zustand ermöglicht, daß ein wesentlicher Teil, wenn nicht die Gesamtheit, der auffallenden Strahlung in dem Fluid absorbiert wird, wodurch eine wirksame Übertragung auf die Gesamtlösung ermöglicht, wird. Wenn beispielsweise Wasser als übertragungsfluid verwendet wird, ist Ruß als Absorptionsmittel vorzuziehen, während als Dispersant auch solche Stoffe wie Agar, Gummiarabikum, Natriumalginat. sovao analoge Stoffe oder ein Zusatz, beispielsweise Oktyl- oder Nonylphenoxy-lthanol, als Dispersant' anwendbar sind. Pektine, Gelatin, Polyvinylpyrolidin, oder kolloidale Staubarten sind ebenfalls anwendbar.

Um den Dispersanten darin zu unterstützen, den Ruß in total gemischtem Zustand zu halten, ist ein Rührstab oder eine andere Anordnung 19 in dem Speicher 12 vorgesehen. Dies steigert die Fähigkeit des Systems, dae die Energie absorbierende Material

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in der richtigen Suspension zu halten* Es sind Mittel vorgesehen, um das Energieübertragungsfluid durch das System zu leiten, beispielsweise eine Leitung 20, welche das Fluid zu der Sonnenzelle 11 führt; eine Leitung 21 dient zur Abgabe des erwärmten Fluids von der Zelle 11 in den Speicher 15· Auffallende Sonnenstrahlen 22 werden auf der Oberfläche 16 der Zelle 11 aufgenommen. Für gewisse Anwendungsfälle kann es günstig sein, eine isolierte Kammer für die Zelle 11 zu verwenden, wobei in diesem Fall eine für Infrarotstrahlung transparente Abschirmung 24- vorgesehen ist. Es werden auch randseitige Oberflächen gebildet, jedoch sind diese isolierenden Flächen der besseren Klarheit halber nicht dargestellt.

Gemäß Fig. 2 umfaßt ein System 30, bei welchem gleiche Bezugsziffern für funktionsgleiche Bauelemente wie in Fig. 1' verwendet sind, eine Energieabgabezone 31, welche zur Aufnahme von erwärmtem Energieübertragungsfluid von der Zelle 11 durch eino Leitung 32 eingerichtet ist. Eine Leitung 33 dient zur Übergabe des Fluids von der Kammer 31 zu einer Zirkulationspumpe 34- und von dort durch eine Leitung 35 zurück zum Speicher Bei der vorliegenden Anordnung ist es jedoch möglich, ständig ~ nen Strömungsdurchsatz durch das System aufrechtzuerhalten, wobei Energie im erforderlichen Maß durch einen Wärmeaustauscher oder eine andere Energieabgabezone 31 abgegeben wird. Falls kein Bedarf für zusätzliche Energie besteht, die durch Leitungen 37> 38 in das System eingespeist wird, kann ein Nebenschluß 39 zusammen mit einem geeigneten Ventil 40 verwendet werden.

Gemäß Fig, 3 wird mit Ruß vermischtes Wasser auf die Oberfläche einer Somienzelle 11 on einer Stelle 42 geleitet-, wobei das Sonnenzellongebilde eine Anordnung von Prallschirmen 44, -45, 46, 47, 48 aufweist, welche Tore 49, 50 an abwechselnden Enden bilden, wobei sich ein Zickzackweg für das Wasser ergibt, das schließlich über ein Auslaßtor 51 abgegeben wird.

Gemäß Fig. 4 kann die Anordnung in gewissen Fällen so getroffen werden, daß eine Anzahl von Lamellen verwendet wird, um das

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Eiiergicübertragungsfluid deruber zu führen, wobei eine größere Matorialmenge der auf treffenden Strahlung dargeboten wird. In diesem System sind abwechselnd Begrenzungselemente 53 vorgesehen, zwischen denen Vorrat sr äume 54- gebildet sind, um gewisse Mengen des Energieübertragungsfluids aufzunehmen und zu halten, wobei, sich Kaskaden in Abwärtsrichtung der Oberfläche ergeben. Bei dieser Art der Belichtung wird die Fähigkeit des Materials gesteigert, den Ruß in richtiger Dispersion über das> gesamte System zu halten, wenn immer dies notwendig ist.

Gemäß I¹Ig₀ 5» welche eine Anordnung auf der Grundlage derjenigen von Fig» 2 veranschaulicht, kann die typische verweilende Fluidmonge erwärmt werden, oder eine Wärmeanlage kann durch die vorliegende Anordnung ergänzt werden, \fobei sich typische Volumeilgrößen, Temperaturen und andere Parameter aus der folgenden Tabelle I ergeben.

Tabelle I

Eino zur Atmosphäre offene Sonnenzelle hatte Abmessungen von 97₅7 x 29,1 cn. Die Basis war in der Form von Lamellen ausgeführt, die mit mattschwarzer Schmiedeeisen-Farbe (Warenbezeichnung "Eustoleum")* gestrichen waren, wobei die einzelnen Lamellen mit ihren Achsen parallel zur Längsrichtung der Zelle verliefen. Die Lamellen hatten eine Erstreckung von etwa 26,6 cm, wobei eino Öffnung an den Enden belassen war, damit eine Fluidströmung erfolgen konnte. Die Lamellen maßen von.Scheitel zu Scheitel etwa 331 mm bei einer Tal tiefe von etwa 6 mm.

Um angenähert einen F^nsterschutz zu erreichen, war die Einheit in Blickrichtung zur Sonne mit einem üblichen Isolierglas (Warenzeichen "Thermopane") versehen»

Zi.llc wurde mit einem Fluid von folgender Zusammensetzung beschickt:

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- 8 Wasser 1,14 1

Ruß 2 Eßlöffel pro 1,14

("Airflow" der Royal Charcoal Co»; Korngröße 400 - 800 Standardmaschen)

Zusatz 1 ml

(Warenzeichen "Ajax"-Haushaltsreinigungsmittel)

Der Strömungsdurchsatz betrug 4,56 1 pro Stunde durch die Zelle, wobei die Zelle eine Temperaturerhöhung von 17»5°C in den ersten zwanzig Minuten erbrachte; weitere zwei Stunden erbrachten eine Temperatur von 56°C in dem Fluid.

Die erfindungsgemäße Sonnenenergie-Auffanganordnung kann auf eine Vielfalt von Systemen angewendet werden," beispielsweise zum Erwärmen von örtlich verweilenden Stoffen, zur Erwärmung von kommerziellen Räumen, zum Auffangen von Energie für industrielle Vorgänge und für viele andere Anwendungszwscke.

Obgleich Ruß ein bevorzugtes Sonnenenergie-Absorptionsmittel zur Anwendung in Verbindung mit Wasser, Öl oder anderen allgemein verfügbaren Flüssigkeiten darstellt, können auch andere Absorptionsmittel verwendet werden. Beispielsweise können in Verbindung mit Öllösungen oder dergleichen Ruß in seinen verschiedenen Formen, einschließlich Lsiapenruß, und ferner Platinmoor, Kupfersulfid, Hickelsulfid, Kupfer/Eisen-SuXfid, Asphalt oder dergleichen verwendet werden„ Die lichtabsorbierenden Stoffe werden belichtet, während sie durch die Sonnenzello verlaufen, wobei die suspendierten Teilchen der Sonnenstrahlung ausgesetzt fcind«," Diese Stoffe werden danach durch Belichtung seitens der Strahlung erwärmt und geben ihre Wärmeenergie durch das transportierende Fluid oder in anderer Weise ab= Bei einem Ausführungsbeispiel kann der das Licht absorbierende Stoff in einem trockenen Zustand gehalten und der Sonnenstrahlung ausgesetzt worden, während er im fluidisiertön Zustand behandelt wird, um die absorbierte Wärmeenergie abzugeben. Um dem Lauf der

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Sonne folgen zu können, sind Elemente vorgesehen, um die Zelle 11 in einer Anordnung zu halten, welche stets im wesentlichen senkrecht zur Sonnenstrahlung verläuft.

Es ergab sich, daß die Übertragung von Energie zu dem Energieübertragungsfluid gesteigert werden kann, wenn die Lamellen über die Oberfläche der Zolle mit Mammutperlen versehen sind, um die Strömung umzulenken und die Oberfläche; des Fluids für die auffallende Strahlung zu vergrößern«

In den meisten Anwendungsfällen erwies sich die bereits erwähnte Rußmenge im Boreich von etwa zwei Eßlöffel pro 1,14- 1 Wasser als ausreichend» Die Menge des verwendeten Dispersanten ist ideal im Boreich von 1 ml pro 1,14· 1 Wasser., wobei der Dipersant entweder aus Oktyl- oder Konylphenoxy-Äthanol bosteht.

Boi einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der Erfindung unter besonderer Anwendbarkeit auf Pig. 1 ist die Oberfläche 16 reflektierend gehalten, beispielsweise durch Polieren und dergleichen, um die auffallende Strahlung durch das strömende Fluid in v/irksamer Weise zu reflektieren» Auf diese Weise verläuft die Strahlungsenergie durch das Material bei zwei Gelegenheiten, wobei dip Mengen des sonst erforderlichen Füllmaterials reduziert werden. Insbesondere unter Bezugnahme auf die Tabelle I wurde der Rußzusatz halbiert, wenn die Basis zu Erzielung einer glänzenden metallisch reflektierten Fläche poliert wurde. Die Basis war in diesem Fall in Form einer polierten Aluminiumflächc mit- einem darauf befindlichen dünnen transparenten MetallSchutzfilm ausgeführt, um die Oxidation des Aluminiums und infolgedessen eine Reduzierung des Reflexionsvermögens zu verhindern» Mit dieser Ausnahme hinsichtlich des Rußgehaltes und hinsichtlich dor Behandlung der Metalloberfläche waren die übrigen Merkmale gloich«, Bei einer Überprüfung des Systems wurde in zehn Minuten eine Temperaturerhöhung von 21° auf 38,5°C erzielt* , .

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Die Erfindung schafft also ein System zun Auffangen von Sonnenenergie, wobei das System eine Sonnenzelle mit einem Einlaß und einem Auslaß zur Durchleitung eines Energieübertragungsfluids aufweist= Das Energieübertragungsfluid ist normalerweise durchscheinend und wird mit einem energieabsorbierenden Material versetzt, beispielsweise Ruß, in dem Fluid dispergiert wird, gegebenenfalls mittels eines Oberflächenentspannungszusafceee oder eines anderen Dispersanten* Die Zelle ist mit einer der Sonne zugewendeten inneren Basisfläche versehen, welche auf dis auffallenden Sonnenstrahlen anspricht, sei es durch stark reflektierende oder durch geschwärzte oder dunkel gehaltene Oberfläche, um die Warmeabsorptionseigenschaften des Zellengobildes zu steigern.

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Claims

- 11 Patentansprüche

1. Sonnenenergie-Auffangsystem mit einer Sonnenzelle nebst einora Einlaß und einem Auslaß zur Übetragung von ITuidenergie auf ein durchlaufendes Übertragungsfluid, mit einer innerhalb der Zelle angeordneten Oberfläche zur Belichtung des darin enthaltenen Energieübcrtragungsfluids mit der auftreffenden Sonnenenergie, einem Energieübertragungsfluid, welches zum Durchlaufen durch die Zelle eingerichtet ist und sich bei normalen Umgebungsbedingungen in flüssigem und durchscheinendem Zustand befindet, mit Elementen zum Durchführen des Energieübertrqjmgsfluids durch das System, mit einem Wärmeabgabebehälter zur Aufnahme des EnergieübertragungsfTuids von der Zelle mit zumindest einer Wärmeaustauscherfläche zur Abgabe von Wärmeenergie von dem Energieübertragungsfluid und mit Elementen zur Weiterleitung von verbrauchtem Energieübertragungsfluid von dem Wärmeabgabebehälter zu dem Einlaß der Zelle, gekennzeichnet durch ein dem Energieübertragungsfluid zugesetztes Energieabsorptionsmittel, welches in ausreichenden Mengen vorliegt, um das, Energieübertragungsfluid gegenüber auffallender Sonnenenergie im wesentlichen undurchlässig zu halten»

2ο System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Energieübertragungsfluid Wasser ist und daß das Sonnenenergie-Absorptionsmittel aus der Gruppe bestehend aus Lampenruß, Platinmoor, Kupfersulfid, Nickelsulfid und Kupfer/Eisen-Sulfid gewählt istο

3„ System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,. daß ein Dispersant in Zumischung zu dem Energieübertragungsfluid vorgesehen ist.

4-. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonnonzelle, der Wäriaeabgabebehälter und die Elemente zum Übertragen" des Eiiergieübertragungsfluids in einem gegenüber einer Belichtung aus der Umgebung isolierten System angeordnet sind*

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5. System nach'Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sonnenenergie-AI»sorptionsmittel von dem Energieubertragungsfluid nach Abgabe aus der Zelle separiert ist.:

6ο System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dio innerhalb der Zelle vorgesehene Oberfläche der auffallenden Sonnenstrahlung zugewendet ist und zur Aufnahme von Sonnenstrahlung im wesentlichen gänzlich nach dem Eeflexionsprinzip oder nach dem Absorptionsprinzip eingerichtet ist.

7. System nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Zelle mit einem wärmeabsorbierend-en Film beschichtet ist.

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