DE2545918A1

DE2545918A1 - Sonnenlichtkollektor mit konvektion und waermeabstrahlung mindernder glasstruktur

Info

Publication number: DE2545918A1
Application number: DE19752545918
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Dr Rer Nat Raetz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-10-14
Filing date: 1975-10-14
Publication date: 1977-04-28

Description

Sonnenlichtkollektor mit Konvektion und Wärmeabstrahlung
mindernder Glasstruktur.
Die Erfindung betrifft einen Flächenkollektor zur Energiegewinnung aus dem Sonnenlicht. Bei zweckmäßiger Konstruktion solcher Kollektoren sind im Temperaturbereich bis 100 0C mit diesen höhere Wirkungsgrade erreichbar als mit aufwendigeren und damit teureren konzentrierenden Kollektoren. Selbst die bei völliger Bewölkung vorhandene diffuse Streustrahlung der Sonne kann mit nahezu 90% Wirkungsgrad eingefangen werden, wenn der Kollektor mit einer Wärmepumpe zusammenarbeitet, welche die Temperatur des Kollektorbodens absenkt.
Prinzip des neuartigen Sonnenlichtkollektors.
Der Kollektor besteht aus einem Kasten mit einem Kollektorboden mit hohem Schwärzungsgrad, einer einfachen Glasabdeckong und einer Struktur aus Dünnglasscheiben, die in bestimmtem Abstand horizontal liegend, senkrecht zur Glasabdeckung und zum Kollektorboden angeordnet, den Kasten ausfüllt.
Pür verschiedene Verwendungszwecke sind die folgenden Konstruktionsprinzipien anwendbar: Kollektortyp 1 Dieser ist mit einer klaren Spiegelglasscheibe abgedeckt, die evtl. reflexionsmindernde Schichten haben darf. Der Kasten ist mit horizontal liegenden Dünnglasscheiben gefüllt mit etwa 15 mm Abstand. Die Dünnglasscheiben verhindern eine Konvektion der tuft und absorbieren den größten Teil der vom Kollektorboden ausgehenden Wärmestrahlung und strahlen diese zum Teil zurück.
Solche Kollektoren haben im Temperaturbereich bis 50 0C hohe Wirkungsgrade um 70 bis 80 bei senkrechter, voller Sonneneinstrahlung. Bei höherer Temperaturdifferenz zwischen Glasabdeckung und Kollektorboden sinkt der Wirkungsgrad und erreicht den Wert 0 bei etwa 120 bis 130 OC. Hierdurch wird eine Beschädigung des Kollektors verhindert beim Ausfallen der Wasserpumpe oder beim Erreichen vorhandener Speicherkapazitäten, wenn der Kollektorboden dem dann auftretenden Wasserdampfdruck von ca 2 atü standhält.
Kollektortyp 2 Anstelle der in Typ 1 verwendeten klaren Spiegelglasscheibe wird eine solche mit selektiv wirkender Schicht auf der Innenseite verwendet, welche das Sonnenlicht durchläßt, die Wärmestrahlung des Kollektorbodens jedoch reflektiert. In Kollektoren dieses Typs können Temperaturen von weit über 100 °C mit hohem Wirkungsgrad erzeugt werden.
Anstelle der selektiven Scheibe kann der Kollektorboden mit selektiver Schicht verwendet werden. Da der Schwärzungsgrad dadurch sinkt, liegt der Wirkungsgrad dieser Kollektoren bei geringen Temperaturdifferenzen niedriger als in solchen mit selektiver Scheibe.
Kollektortyp 3 Dieser ist aufgebaut wie Typ 2 jedoch mit geändertem Abstand der Dünnglasscheiben. Der Kollektor kann durch geeignete Wahl des Strukturabstandes so eingestellt werden, daß er bis zu einer bestimmten Temperatur den maximalen und nahezu konstanten Wirkungsgrad beibehält. Oberhalb dieser wählbaren kritischen Temperatur wird die Konvektion der Suft angeregt, wodurch der Wirkungsgrad des Kollektors absinkt.
Da das wärmeübertragende Wasser von unten dem Kollektorboden zugeführt wird, sodaß es sich aufsteigend erwärmt, kann der Strukturabstand von oben nach unten zunehmen, wodurch der Materialaufwand verringert wird.
Kollektoren der Typen 1 und 2 sind für Hausheizungen und zur Warmwasserbereitung am besten geeignet, da bei diesen eine Überhitzung nicht eintritt. Zwischen beiden ist dem Typ 3 der Vorzug zu geben, wenn Scheiben mit den geforderten Eigenschaften kostengünstig hergestellt werden können.
Beschreibung der Bauteile des Kollektors.
1) Der Kollektorboden Der Kollektorboden besteht nach Figo1 aus einem Plattenwärmeaustauscher, dessen geschwärzte Vorderseite (2) sägezahnförmig profiliert ist. In die Rückwand (1) können zur Versteifung Querrinnen eingeprägt sein.
Mit diesem Boden ist bei einem Schwärzungsgrad der aufgespritzten Farbe von etwa 94% und einem Profilwinkel von 60° eine Schwärzung von 98% erreichbar. Die Abstrahlung des Bodens ist wegen des guten Wärmeüberganges an das Wasser geringer als in Kollektorböden mit Wasserrohren und dazwischenliegenden Wärmeleitblechen, da in letzteren große Temperaturgradienten auftreten.
2) Die Kollektorabdeckung Die Kollektorabdeckung besteht aus einer hochtransparenten Spiegelglasscheibe. Diese kann, je nach Kollektortyp und Einsatzzweck, reflexionsmindernd oder Wärmestrahlen reflektierend beschichtet sein.
3) Die Struktur In den luftgefüllten Kollektorraum wird eine Struktur aus Dünnglasscheiben von ca 0,5 bis 1 mm Stärke eingesetzt. Diese ist lichtdurchlässig und undurchlässig für Wärmestrahlung, sodaß ein großer Teil der vom Kollektorboden ausgehenden Strahlung in der Struktur absorbiert und zum Boden zurückgestrahlt wird.
Die zweite Punktion der Struktur besteht darin, eine Konvektion der Luft zu verhindern.
Die Struktur besteht erfindungsgemäß aus dünnen Spiegelglasscheiben, die unter leichter Spannung nach oben gewölbt, senkrecht zur Glasabdeckung und zum Kollektorboden stehend, in die Seitenwände des Kastenrahmens (9) eingesetzt sind. Die Auswölbung ist wegen der geringen Strukturdicke zur Stabilität wichtig.
Zur seitlichen Halterung der Dünnglasscheiben (3) sind Scheiben (4) aus Kunststoff oder aus anderem schlecht wärmeleitendem Material mit Querrinnen (5) vorgesehen. Die Scheiben (4) sind mit einer metallisch glänzenden, korrosionsbeständigen Oberfläche versehen, damit das Sonnenlicht bei schiefem Lichteinfall in den Kasten reflektiert wird.
Damit die Struktur mit der Glasabdeckung dicht abschließt, sind bei einer Kastenbreite von ca 1 m mindestens 3 Federelemente vorzusehen, die am Kastenrand in die Scheibe (4) eingelassen sein können wie die in Fig.1 und Fig.2 eingezeichnete Peder (6)o Wird eine durchgehende Federleiste (7) in eine Vertiefung des Kollektorbodens eingesetzt, muß diese an den Federarmen quer eingeschnitten sein, sodaß jede Strukturscheibe getrennt angedrückt wird. Auf diese Weise wird verhindert, daß Scheiben frei hängen infolge der thermischen Ausdehnung des KollektorbodensO Leichter Druck auf die Struktur kann auch mit einer runden Rolle aus dünnem, geschwärztem Stahldrahtgewirr (8) ausgeübt werden, die in einer Vertiefung im Kollektorboden liegt.
Die Punktion des Kollektors unterstützende Maßnahmen.
Die Dünnglasscheiben üben einen erheblichen Druck auf die Seitenwände aus. Will man eine Ausbeulung des Kastens vermeiden, kann ein horizontal liegendes Stahlband in den Kasten gespannt werden. Ist dieses metallisch verspiegelt, treten keine Verl~lste durch Schattenbildung auf.
Infolge der thermischen Ausdehnung der Luft im Kollektorkasten, muß ein Druckausgleich zur Außenluft vorhanden sein. Dazu sind T- Stücke mit zwei Schlauchanschlüssen am Kasten anzubringen, sodaß die Kästen ohne Durchgang der Luft hintereinander mit Schläuchen verbunden werden können. Das Schlauchende mündet in einen halb mit Luft gefüllten hängenden Plastikballon. Am Schlauchausgang sitzen ein Staubfilter und eine durchsichtige Patrone mit einem wasserabsorbierenden Filter mit Farbumschlag, das im Backofen regeneriert werden kann.
Literatur: Perrot M., Desautel J., de Nantes P.
Etude de la reduction des deperditions thermiques sur la face avant des insolateurs fonctionnant a moyenne temperature au moyen des structures tubulaires anti-pertes.
COOPERATION MEDITERRANEENNE POUR L'ENERGIE SOLAIRE, BULLETIN No 17, Decembre 1969, Seite 45 Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1) Sonnenlichtkollektor mit Konvektion und Wärmeabstrahlung mindernder Struktur, dadurch gekennze i ohne t, daß in den Kollektorkasten senkrecht zur Glasabdeckung und zum Kollektorboden horizontal liegende Dünnglasscheiben eingesetzt sind, die nach oben gebogen sind und auf diese Weise sich durch ihre Eigenspannung und ihr Eigengewicht in seitlich an der Kastenwand angebrachte Rillen drücken.
2) Sonnenlichtkollektor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß an den vertikalen Kastenwänden zur Befestigung der Dünnglasscheiben Scheiben aus schlecht wärmeleitendem Material mit Querrillen aufgestellt sind, welche zur Vermeidung von Lichtverlusten mit metallisch glänzenden Oberflächen versehen sind.
3) Sonnenlichtkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnglasscheiben durch federnde Stahlleisten mit einzeln wirkenden Pederzungen an die Glasabdeckung gedrückt werden.
4) Sonnenlichtkollektor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Dünnglasscheiben durch ein rundes, schlauchförmiges Gespinst aus dünnem, geschwärztem Stahldraht an die Glasabdeckung gedrückt werden.