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System zur Nutzung der Sonnenenergie Gegenstand der Erfindung ist
eine besondere Ausgestaltung und Bemessung des Systems nach der Anmeldung P 25 10
321.3 (Hauptanmeldung).
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Die Hauptanmeldung betrifft ein auf der Anwendung des bekannten "Treibhaus-Effektes"
basierendes System nur Nutzung der Sonnenenergie. Kennzeichnende Silerlemale sind
Bauelemente ("Kollektoren"), die als ganz oder teilweise aus Kunststoff bzw. Kunststoffen
herstellbare, vorzugsweise extrudierbare Profile konstruiert sind, wobei das Oberteil
2 aus einem in hohem Maße für Strahlung durchlässigen Material und das durch einen
Zwischenraum 3 mit Seitenwänden von dem Oberteil 2 getrennte Unterteil 1 aus einem
Strahlung in hohem Maße absorbierenden Material besteht (Anspruch 1). - Die Bauelemente
des Systems mit diesen Merkmalen können aus separat gefertigten, vorzugsweise extrudierten
Kunststoff-Teilprofilen in fester oder lösbarer Verbindung bestehen (Anspruch 3).
Zu den weiteren Merkmalen des Systems der Hauptanmeldung gehören nach der Beschreibung
S.1 Einrichtungen, welche die durch Absorption der Strahlung entwickelte Wärme aus
den Kollektoren abführen, und zwar vorzugsweise mit Luft oder Wasser durchströmte
Kanäle oder Leitungen. Speziell nach Fig.3 der Hauptanmeldung können entsprechende
Kollektoren als ko-extrudierte Kunststoff-Hohlprofile ausgeführt werden, deren Oberseite
glasklar und deren Unterseite geschwärzt ist.
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Die Zusatzanmeldung betrifft eine besondere Ausgestaltung und Bemessung
der Leitungen bzw. Kanäle für das die Wärme aus den Kollektoren transportierende
Fluid, und zwar unter Ausnutzung an sich bekannter Verfahren des Umformens von vorzugsweise
extrudiertem
Kunststoff-Halbzeug, wobei insbesondere die Techniken des Blasformens und des Vakuumformens
bzw. Tiefziehens anzuwenden sind.
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Stand der Technik sind Sonnenenergie-Kollektoren mit i?luid-Leitungen
bzw. -Kanälen in Parallel- oder Reihenanordnung.
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Bei der Parallelanordnung vorgefertigter Leitungen bzw. Kanäle ergibt
sich ein relativ großer materieller und zeitlicher Aufwand durch die Vielzahl der
Anschlüsse an die Sammelleitungen des Systems. Andererseits bestehen bei der Reihenanordnung
mit in Bögen, etwa mäanderförmig oder spiralig, verlegten Leitungen gewisse Begrenzungen
hinsichtlich der knickfrei einstellbaren Krümmungen und damit auch Begrenzungen
für die Nutzung der Kollektorflächen. Ein weiterer Nachteil der Rohrschlangen bzw.
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Rohrspiralen ist ihre Labilität, die eine Verlegung auf Unterlagen
mit entsprechender Profilierung oder mit einer Vielzahl von Befestigungselementen
notwendig macht.
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Stand der Technik ist ferner eine Bemessung der Fluid-Leitungen bzw.
-Kanäle in der Weise, daß deren Querschnitte im Bereich des Wärmedurchganges bzw.
des Strahlungseintritts eine reduzierte Wanddicke aufweisen; dadurch wird der thermische
Wirkungsgrad des Systems unter Umständen erheblich erhöht. Die Herstellung von Kanälen
bzw. Leitungen mit entsprechenden Querschnitten erfordert jedoch einigen Aufwand,
nämlich entweder das Zusammenfügen separat gefertigter Teilquerschnitte (Beispiel:
U-Profil mit dünner Deckplatte) oder die Anwendung spezieller Extrudertechniken.
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Bekannt sind auch Sonnenenergie-Kollektoren mit einer Ausführung der
Fluid-Leitungen als Wellrohre. Diese bieten unter anderem den Vorteil einer vergrößerten
Aufnahmefläche (Schwarzfläche) für die Strahlung und einer entsprechend vergrößerten
Wärmeübergangsfläche zwischen Wand und Fluid. Spezialleitungen dieser Art erhöhen
jedoch den Aufwand an Anlagekosten.
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Schließlich gehören zum Stand der Technik von Sonnenenergie-Kollektoren
aus Eunststoff(en) gefertigte Fluid-Leitungen bzw.
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Kanäle, deren Wand im ganzen Umfang geschwärzt oder durchgehend schwarz
eingefärbt oder teilweise bzw. im ganzen Umfang glasklar ist, wobei im Falle einer
ringsum glasklaren Einstellung des Wandquerschnittes ein Schwarz anstrich der unteren
Partie bzw.
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eine schwarze Unterlage vorzusehen ist.
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Aus diesem Stand der Technik ergibt sich die erfinderische Aufgabestellung:
Es sollen für das in der Hauptanmeldung beschriebene System zur Nutzung der Sonnenenergie
Kollektoren in Form von Bauelementen entwickelt werden, bei denen a) der Aufwand
an Anschlüssen möglichst gering ist, b) auch im Falle einer Reihenanordnung der
Leitungen bzw. Kanäle eine günstige Nutzung der Kollektorfläche sowie c) eine hohe
innere Steifigkeit des Kanal- bzw. Leitungsverbundes erreicht wird und d) die Wandung
der Kanäle bzw. Leitungen im Bereich des Wärmedurchganges bzw. des Strahlungseintrittes
ohne besonderen fertigungstechnischen oder verfahrenstechnischen Aufwand in ihrer
Dicke reduziert und/oder in ihrer Oberfläche vergrößert und/oder optisch anders
als die Unterseite bzw. die Seitenpartien eingestellt werden kann.
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Die Lösung der Aufhabe besteht allgemein darin, daß in jeder der Kollektor-Baueinheiten
die das Fluid führenden Leitungen bzw. Kanäle einschließlich der Sammelkanäle unter
Ausnutzung an sich bekannter Verfahren des Umformens von Kunststoff-Halbzeug, vorzugsweise
extrudiertem Kunststoff-Halbzeug, "integral" geformt werden. Dabei werden als Halbzeug,
das heißt als Vorprodukt, vorzugsweise Rundschläuche bzw. Flachschläuche oder Folien
bzw. Platten verwendet. Die im Rahmen der Problemlösung bevorzugten Umformverfahren
sind das Blasformen und das Vakuumformen bzw. Tiefziehen.
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Ausführungsbeispiele von Sonnenenergie-Kollektoren nach der Erfindung
sind als Baueinheiten bzw. in Details in den Abbildungen Fig.1 bis Fig.6 dargestellt.
Die Fig.1 und 2 zeigen in Draufsicht Kollektoren mit Parallelanordnung bzw. Reihenanordnung
(Mäanderform) der Kanäle bzw. Leitungen für das die Wärme transportierende Fluid.
Bei der Parallelanordnung nach Fig.1 sind die seitlich verlaufenden Sammelkanäle,
das heißt die Zu- und Ableitungen für das Fluid, in der Weise gestaltet, daß ihre
Querschnitte den in Flußrichtung abnehmenden bzw. zunehmenden Volumenströmen entsprechen.
Ein so gestaltetes System arbeitet mit durchgehend näherungsweise konstanten Strömungsgeschwindigkeiten.
Bei der Reihenanordnung nach Fig.2 mit durchgehend konstanten Kanalquerschnitten
sind die Strömungsgeschwindigkeiten ohne besondere Maßnahmen in der ganzen Fläche
gleich groß. Im übrigen kann es zur Vermeidung oder Minderung von Wärmespannungen
in der Kollektorfläche zweckmäßig sein, für das Fluid zweigängige Kanäle bzw.
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Leitungen mit gegenläufigen Durchströmungsrichtungen in den Einzelkanälen
bzw. -leitungen vorzusehen.
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Fig;.3 zeigt (mit den Kennzahlen 1 bis 4 der Abbildungen in der Hauptanmeldung)
den typischen Aufbau der Systeme nach Fig.1 und 2 in einem Teilquerschnitt A-A.
Fig.4 macht in der Vergrößerung einige Einzelheiten der Fig.3 deutlicher erkennbar.
Fig.5 und Fig.6 stellen Varianten des Aufbaus der Unterteile dar.
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Das von dem Unterteil 1a/1b (Fig.3,4 und 5) bzw. 1c/1d (Fig.6) bzw.
von den Kanälen 4 durch einen Zwischenraum 3 getrennte Oberteil 2 (Fig.3) ist bei
den hier dargestellten Ausführungsbeispielen eine ebene Platte aus glasklarem Material,
vorzugsweise PMMA +) (Handelsname "Plexiglas"). Als Unterbau und gleichzeitig Rahmen
für die Bauelemente des Kollektors dient die "Wanne" 5 aus wetterfestem Hartschaum-Kunststoff,
vorzugsweise PF-Schaumstoff +) mit Bitumenanstrich, auf deren Rändern das Oberteil
2 befestigt ist.
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+) Abkürzungen nach DIN 7728.
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In der Beispielsausführung nach Fig.3 und 4 besteht das Unterteil
1a/1b aus einem wellenförmig ausgebuchteten Formteil 1a und einer Basisschicht 1b,
die durch lokales Zusammenquetschen und Blasformen eines extrudierten Rundschlauches
oder Flachschlauches (abgerundeter Rechteckquerschnitt) mit ringsum konstanter Wanddicke
oder durch Blasformen bzw. Vakuumformen einer Folie und deren lokales Verschweißen
mit einer Gegenfolie in die gewünschte Gestalt gebracht wurden. Die Quetsch-bzw.
Schweißflächen sind in den Fig.1 und 2 durch Schraffur angedeutet.
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In der Beispielsausführung nach Fig.5 ist statt der ebenen eine leicht
gewellte Basisschicht 1b vorgesehen, um die durch den Kontakt mit der Wanne 5 entstehenden
Wärmeverluste auf ein Minimum zu reduzieren.
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Im Falle der Beispielsausführungen nach Fig.3, 4 und 5 besteht das
Formteil 1a aus einem durchgehend schwarz eingefärbten Kunststoff. Das Material
der Basisschicht 1b kann mit dem des Eormteils 1a identisch oder von diesem verschieden
sein. Für die Herstellung von Vorprodukten aus zwei verschiedenen Kunststoffen können
wahlweise bekannte Verfahren, wie die Ko-Extrusion in Schlauchform und die Simultan-Extrusion
in Form von zwei separaten Flachfolien, angewandt werden.
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Im Sinne der Erfindung wesentlich ist das aus Fig.4 und 5 zu entnehmende
Merkmal, daß die Wanddicke s des Formteils 1a im Bereich der wellenförmigen Ausbuchtungen,
welche die für die einfallende Strahlung verfügbare Netzfläche (Schwarzfläche) bestimmen,
kleiner als die Wanddicke sO im Bereich der quetsch-bzw. Schweißflächen zwischen
dem Formteil 1a und der Basisschicht 1b ist. Der der Wanddicke s proportionale Wärmeleitungswiderstand
s/S = Wärmeleitfähigkeit des Wandmaterials) kann damit auf einen Wert reduziert
werden, der mit dem Wärmeübergangswiderstand
1/ai (Ex i = Wärmeübergangszahl
zwischen der Innenfläche des Formteiles 1a und dem Fluid im Kanal 4) vergleichbar
ist. Auf diese Weise läßt sich der spezifische Wärmeübergangswiderstand des Kollektors
wKoll = 5/' + sehr günstig einstellen.
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Das System ist optimal ausgelegt, wenn das vor dem Umformen vorhandene
und in den Quetsch- bzw. Schweißflächen etwa erhalten bleibende Dickenmaß sO des
Halbzeugs (Rundschlauch, Flachschlauch, Flachfolie) den Anforderungen bezüglich
Steifigkeit des Kollektor-Unterteiles 1a/1b entspricht und gleichzeitig das durch
den Umformvorgang eingestellte reduzierte Dickenmaß s den Anforderungen bezüglich
der Absperrfunktion (gegebenenfalls auch Vermeidung der Diffusion von Fluiddämpfen
nach außen) genügt. Da für den Betrieb von Sonnenenergie-Kollektoren allgemein nur
Durchflußleistungen unter 0,1 m3/h pro Quadratmeter Kollektorfläche und entsprechend
niedrige Betriebsdrücke in Betracht kommen (im Kanaleingang maximal 0,1 atü, im
Kanalausgang O atü), kann das reduzierte Dickenmaß der Kanalwandungen bezüglich
der Druckbelastung in jedem Falle auf einen Wert s % 1 mm eingestellt werden.
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In diesem Zusammenhang muß darauf hingewiesen werden, daß bei dem
System nach Fig.3,4 und 5 ein Nachteil insbesondere des Blasformens in einen Vorteil
verwandelt wird, nämlich die mit dem Abstand von den Quetsch- bzw. Schweißnähten
eines geblasenen Hohlkörpers abnehmende Wanddicke. Die durch den Umformvorgang eingestellten
Ausbuchtungen vergrößern nicht nur die Nutzfläche (Schwarzfläche) des Kollektors
für die einfallende Strahlung, sondern erniedrigen über die reduzierten Wanddicken
auch den Wärmeleitungswiderstand und damit den Wärmeübergangswiderstand der Formteile
1a. Andererseits ist der verdickte
Gesamtquerschnitt (Dicke 2so)
im Bereich der Schweißfläcnen zwischen dem Formteil 1a und der Basisschicht 1b für
die hbleitung der Wäre aus diesen Bereichen in die Kanäle 4 vorteilhaft.
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Hierin unterscheiden sich die Unterteile 1a/1b der Sonnenenergie-Kollektoren
nach der Erfindung grundlegend von den nach ähnlichen Verfahren aus Kunststoff (vorzugsweise
PP) hergestellten Flächenheizkörpern, die vor einigen Jahren als ersatz für die
konventionellen Gußeisen-Radiatoren eingeführt wurden. Bei den Kunststoff-Radiatoren
für die Warmwasser-Raumheizung ist eine wesentliche Wanddickenreduktion wegen der
höheren Betriebsdrücke (1 bis 2 atü) nicht zulässig, aber auch nicht notwendig,
da der Wärmedurchgangswiderstand WRad. = 1/αi + s/# + 1/αa nicht durch
die innere Wärmeübergangszahl ai zwischen Wasser und Radiatorwand, sondern durch
die vergleichsweise viel kleinere äußere Wärmeübergangszahl x zwischen Radiatorobera
flache und umgebender Raumluft (freie Konvektion) bestimmt wird.
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Das System nach Fig.3, 4 und 5 kann beispielsweise so variiert werden,
daß die dünnwandigen Partien des Formteils 1a nach dem Vorbild von Rippenrohren
oder Wellrohren longitudinale bzw.
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transversale Eindellungen (Sicken) erhalten, um die Schwarzfläche
für die einfallende Strahlung und ebenso die Wärmeübergangsfläche noch weiter zu
vergrößern. Es ist dazu nur eine entsprechende Ausarbeitung der Blas- bzw. Vakuumformwerkzeuge
erforderlich.
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Das Kollektor-Element nach Fig.6 unterscheidet sich von denen der
Ausführungsbeispiele nach Fig.3, 4 und 5 dadurch, daß statt des schwarz eingefärbten
profilierten Formteiles 1a eine ebene glasklare Kunststoff-Folie oder -Platte 1c
mit geringer Schichtdicke und außerdem ein durch Umformen wellenförmig ausgebuchtetes
schwarz
eingefärbtes Basisprofil 1d vorgesehen ist, wobei die Ausbuchtungen des Basisprofiles
1d die Fluidkanäle 4 bilden.
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Bei diesem System wird die durch die glas klare Folie bzw.
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Platte 1c mit ihrer geringen Schichtdicke nur wenig geschwächte Strahlung
größtenteils unmittelbar von dem durch die Kanäle 4 strömenden Fluid absorbiert,
das heißt in Wärme umgewandelt.
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Der Rest der Strahlung geht entweder direkt an der Unterseite des
Basisprofils 1d oder nach Reflexion an dessen Innenwand in Wärme über +).
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Während bei den Beispielsausführungen nach Fig.3 und 4 ebenso wie
Fig.5 die Höhe der Kanäle 4 vorzugsweise größer als deren Breite ist, wird bei der
Beispielsausführung nach hig.6 die Höhe der Kanäle 4 vorzugsweise kleiner als deren
Breite bemessen. Eine übermäßige Ausbuchtung und entsprechende Wanddicken-Reduktion
des Basisprofils 1d ist zu vermeiden, um den Verlustwärmestrom zwischen den Kanälen
4 und der Wanne 5 möglichst klein zu halten. - Für die dünne Platte 1c kann auch
gewöhnliches Silikatglas verwendet werden; dies ist besonders in heißen Klimazonen
sowie im Falle einer Fahrweise der Kollektoren mit sehr geringen Fluiddurchsätzen
zu empfehlen, wobei die Fluidtemperaturen sich unter Sonneneinstrahlung dem Siedepunkt
des Fluids nähern. Die Verbindung zwischen einer Glasplatte 1c und dem Basisprofil
1d kann, gegebenenfalls nach einer Vorbehandlung der Oberfläche des Basisprofils
1d (Flammgasbehandlung oder anderes Verfahren), durch Verkleben mit handelsüblichen
Spezialklebern hergestellt werden.
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Allgemein ist es zweckmäßig, Sonnenenergie-Kollektoren mit Wasserleitungen
aus Kunststoff durch eine einfache Vorrichtung zu sichern, die bei Ausfall der Wasserversorgung
aus dem Netz oder bei Ausfall der elektrischen Netzspannung ein dem Eollek-+) Vergleiche
das Ausführungsbeispiel nach Fig.3 der Anmeldung P 25 10 321.3 (Hauptanmeldung).
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torvolumen angemessenes Wasserreservoir zuschaltet bzw. eine batteriebetriebene
Umlaufpumpe einschaltet.
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Das beschriebene System zur Nutzung der Sonnenenergie erfüllt mit
dem neuartigen Konzept der Kollektoren alle gestellten Forderungen: a) Möglichst
geringer Aufwand an Anschlüssen (Fig.1 und 2).
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b) Günstige Nutzung der Kollektorfläche (Fig.1 und 2).
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c) nohe Steifigkeit des Kanal- bzw. Leitungsverbundes.
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d) Optimale Nutzung der einfallenden Strahlung, alternativ durch
Vergrößerung der Schwarzfläche und Wärmeübergangsfläche bei gleichzeitiger Verringerung
der wanalwanddicke (Fig.3, 4 und 5), oder durch direkte Absorption eines großen
Teiles der einfallenden Strahlung in dem strömenden Fluid (Fig.6).