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11Sonnenkollektor1,
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Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor zur Erzeugung erwärmter
Luft, mit von lichtdurchlässigen Abdeckscheiben abgedeckten, mit Zwischenwänden
versehenen und zur Horizontalen geneigt angeordneten Luftkästen, in denen aus der
Umgebung einströmende Luft erwärmt und über eine Sammelleitung abgesaugt wird und
die durch an der Unterkante angelenkte innenseitig als Reflektor ausgebildete aufschwenkbare
Schutzdeckel abdeckbar sind.
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Die meisten deutschen Sonnenkollektoren zur ausnützung der Sonnenwärme
verwenden
als Arbeitsmedium Wasser. Abgesehen von den höheren Kosten derartiger Anlagen sowie
der Korrosionsanfälligkeit und der Gefahr des Absetzens von Kalk in den Heizschlangen,
sind diese Anlagen außerordentlich schwer, so daß sie nur schwer drehbar und damit
je nach dem Sonnenstand nachführbar angeordnet werden können.
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Darüber hinaus sind auch bereits Sonnenkollektoren mit Luft als Arbeitsmedium
bekanntgeworden. Diese bekannten Kollektoren haben grundsätzlich eine quadratische
oder rechteckige Grundform in Einzelkastenbauweise. Aufgrund dieser Konstruktion
ergeben sich im wesentlichen folgende Nachteile: relativ kurze Wege mit schlechter
Erwärmung, d.h. es ist eine relativ große Pumpenergie zur Zirkulation der Luft erforderlich;
Anpassungsschwierigkeiten durch mehrere Übertrittsöffnungen; ungleichmässige Luft
mitnahme; teure Einzelrahmung in Kastenkonstruktion; teure statische Konstruktion
für den Zusammenhalt; relativ oft große Einzelflächen mit Transport- und Montageproblemen;
Gefahr der Beschädigung großer Flächen (Glas). Darüber hinaus besteht auch bei diesen
bekannten Anordnungen - insbesondere wegen der Rahmenbauweise der Luftkästen - der
Nachteil, daß sie nur mit erheblichen Schwierigkeiten, und damit nicht mehr finanziell
rentabel, als drehbare Anordnungen ausgebildet sein können, die dem Sonnenlicht
nachgeführt werden können. Eine derartige drehbare Anordnung erbringt gegenüber
einem starren Aufbau einen Energiegewinn von ca. 30 , so daß eine einfache Nachführbarkeit
von erheblicher Bedeutung für die praktische Realisierbarkeit derartiger Sonnenkollektoren
ist. Insbesondere gilt dies für Wintertypen,
d.h., Sonnenkollektoren,
die auch mit der schwächeren Sonneneinstrahlung im Winter, wie sie in nördlichen
Breiten vorhanden ist, noch einen, zumindest stundenweisen, Betrieb pro Tag zulassen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sonnenkollektor, bei
dem als Arbeitsmedium Luft verwendet wird, so auszugestalten, daß er einen günstigen,
auch noch einen Winterbetrieb in nördlichen Breiten, ermöglichenden Wirkungsgrad
aufweist und dabei gleichzeitig so einfach und gewichtsmässig leicht aufgebaut ist,
daß er in beliebigen Abmessungen aus Normteilen herstellbar ist (industrielle Fertigungsvorteile)
und aufgrund seines geringen Gewichtes sowohl auf leichten Dachkonstruktionen als
auch nachführbar gelagert werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Sonnenkollektor der eingangs
genannten Art gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Lufteintrittsöffnungen der
Luftkästen an den unteren Enden im Bereich des tiefsten Punktes der durch sie und
die Schutzdeckel gebildeten Wanne angeordnet sind, wobei mit Vorteil die Unterteilung
und Verkopplung der Luftkammern so getroffen sein soll, daß die mittlere Strömungsrichtung
der sich erwärmenden Luft schräg nach oben verläuft.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird an den Lufteintrittsöffnungen
der Luftkästen nicht Luft mit der normalen Umgebungstemperatur eingesaugt, sondern
bereits etwas erwärmte ruft, die im Bereich der Wanne einmal durch die Sonnenstrahlung
des direkt
einfallenden sowie des reflektierten Lichtes, sowie durch
Überstreichen der Abdeckscheiben der Luftkästen im Gegenstromprinzip vorerwärmt
worden ist (Nutzung der bei anderen Systemen anfallenden Verlustenergie). Durch
diese Vorerwärmung ergibt sich eine beträchtliche Verbesserung des Wirkungsgrades
gegenüber bekannten Anordnungen, bei denen normale nicht erwärmte Umgebungsluft
angesaugt wird. Darüber hinaus führt diese Maßnahme in Verbindung mit der besonderen
Luftführung in den Luft kästen zu derart günstigen Strömungsverhältnissen und geringen
Strömungswiderständen, daß allenfalls geringe Saugleistungen zum Absaugen der erwärmten
Luft über Sammelleitungen erforderlich sind. In vielen Bällen wird man derartige
zusätzliche Saugpumpen überhaupt nicht benötigen, sondern erreicht die Durchströmung
allein aufgrund der sich bei der Erwärmung ergebenden Kaminwirkung. Diese praktisch
selbsttätige Luftzirkulation bedeutet eine weitere erhebliche Steigerung des Wirkungsgrades
aufgrund des Wegfalls der Betriebsenergie für die Ventilatoren, wie sie beispielsweise
bei horizontal durchströmten Sonnenkollektoren der eingangs genannten Art mit kammartig
einspringenden Zwischenwand stegen nach der deutschen Offenlegungsschrift 2 507
570 notwendig sind. Bei dieser bekannten Anordnung, die ebenfalls bereits Schutzdeckel
zum Abdecken der Luftkästen während der Nacht bzw. bei ungünstigen Witterungsbedingungen
(Schnee und Hagel) aufweist, fehlte neben dieser eine selbsttätige Luftzirkulation
bewirkenden Strömungsführung auch die erfindungsgemäße Ansaugung vorerwärmter Luft
im tiefsten Punkt der durch die Luftkästen und die aufgeschwenkten Schutzdeckel
gebildeten Wanne. Darüber hinaus ist diese bekannte Anordnung
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abgesehen davon, daß sie zusätzlich mit Steinen als Wärmespeicher gefällt sein soll
- für eine einfache drehbare Änordnung zu schwer und ermöglicht auch keinen einfachen
Aufbau in beliebiger Größe (insbesondere beliebiger Länge) aus einfachen normteilen.
Allenfalls könnten mehrere gleichartige Baugruppen aneinandergesetzt werden, wobei
jedoch jede Baugruppe für sich bereits sehr groß und unhandlich ist.
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Ein wesentlich einfacherer Aufbau, der die Pertigung beliebig großer
Sonnenkollektoren aus einfachen Normteilen gestattet, läßt sich in Weiterbildung
der Erfindung dadurch erzielen, daß die Luftkästen eine Bodenplatte und zueinander
parallele, schräg zur Unterkante auf der Bodenplatte angeordnete Wandstreifen umfassen,
die mit versetzten Luftdurchtrittsöffnungen versehen sind und durch vorzugsweise
einsteckbare Querwände in einzelne Kastenabteile unterteilbar sind.
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Dadurch ergeben sich einzelne rautenförmige Kammern. Diese bilden
parallele Reihen aus jeweils schräg gegeneinander versetzten Einzelkammern. Diese
Reihen sind gegeneinander abgeschlossen und werden von unten nach oben von der sich
allmählich aufgrund der Sonneneinstrahlung erwärmenden Luft durchströmt. Die Rautenform
in Verbindung mit den versetzten Luftdurchtrittsöffnungen der einzelnen Abteile
sorgt dabei für eine Wirbelbildung innerhalb der Abteile, d.h., die Luft durchströmt
die Abteile nicht auf geradem Weg von der unteren Luftdurchtrittsöffnung zur oberen
Durchtrittsöffnung des nächsten Abteils, sondern wird praktisch über alle Wände
geführt. Damit ergibt sich eine günstige
Wärmeübertragung unter
Ausnützung der gesamten zur Verfügung stehenden in den Wänden gespeicherten Energie.
Diese Wirbelbildung und damit das Maß der Wärmeübertragung ist durch die Winkelstellung
der Zwischenwände, d.h., durch die besondere Rautenforn der Abteile einstellbar.
Die rechteckige Form (900 Winkel) ist nur Vereinfachung.
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Diese läßt sich in besonders einfacher Weise den gewünschten Gegebenheiten
anpassen, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Bodenplatte
mit Schlitzen zum Einstecken der Wandstreifen und/oder Querwänden versehen ist,
wobei mit besonderem Vorteil zwei Wandstreifen mit versetzten Öffnungen und etwa
bis zur Mitte reichenden Schlitzen zum Einsetzen ebenfalls bis zur Mitte geschlitzter
Querwandplatten vorgesehen sein können.
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Diese besondere Ausgestaltung ermöglicht einen Aufbau eines erfindungsgemäßen
Sonnenkollektors quasi als Meterware. Weder bedarf es eines Rahmens (50 % mehr Seitenwandmaterial),
wie ihn die bislang bekannten Sonnenkollektoren verwenden, noch ist man beim Aufbau
eines bestimmten Sonnenkollektors an besondere großflächige Abmessungen eines meist
mehrere Quadratmeter umfassenden Bauteils gebunden, sondern kann statt dessen in
beliebiger Weise einen Sonnenkollektor sowohl waa seine Länge als auch seine Breite
anlangt, wunschgemäß aus einfachsten Rasterbauelementen aufbauen.
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Das Vorsehen des gleichzeitig einen Reflektor bildenden Schutzdeckels
ermöglicht
die Verwendung dünner, billiger und auch im Gewicht leichter Abdeckscheiben, ohne
daß deshalb eine erhöhte Bruchgefahr bei ungünstigen Witterungsverhältnissen gegeben
ist. Je dünner diese Scheiben sind, desto günstiger ist auf der anderen Seite der
Wirkungsgrad, da dann praktisch die gesamte Wärme strahlung der Sonne tatsächlich
in das Innere der Luftkästen gelangt und zur Erwärmung der Luft ausgenützt werden
kann. Zudem läßt sich durch die gleichzeitige innenseitige Ausbildung als Reflektor
der Wirkungsgrad noch weiter erhöhen, wobei diese Eirkungsgraderhöhung mit wesentlich
einfacheren Mitteln zustandekommt als durch entsprechende Vergrößerung der Fläche
der Luftkästen.
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Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn der Schutzdeckel einen der
Schwenkkante benachbarten, im wesentlichen ebenen Reflektorabschnitt und einen der
Schwenkkante abgelegenen gebogenen Konzentratorabschnitt aufweist. Diese Form des
Schutzdeckels ist sowohl einfach in der Herstellung, z.B. einfacher als ein vollständig
gebogener Konzentrator. Auf der anderen Seite bietet er einen günstigeren Schutz
der Abdeckscheiben der Luftkästen, da der Schutzdeckel auf diese Weise in SchlieB-stellung
näher über den Luftkästen zu liegen kommt. Schließlich hat diese Schutzdeckelform
auch noch den Vorteil, daß eine besonders günstige Lufterwärmung in den Bereichen
stattfindet, in denen die Lufteintrittsöffnungen der Kästen liegen, bzw.
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die Strömungsverhältnisse beim Ansaugen der Umgebungsluft in die Luftkästen
liegen bei dieser Formgebung derart, daß die erwärmten Bereiche überstrichen werden
und somit bereits bei
der Vorerwärmung der Frischluft ein hoher
Wirkungsgrad erzielt ist. Die Erwärmung des die Abdeckscheiben der Luftkästen überstreichenden
Teils der angesaugten Frischluft hat dabei zusätzlich auch noch den Vorteil, daß
durch Kühlung der Abdeckscheiben die schädliche Wärmeabstrahlung dieser Scheiben
nach außen ferngehalten wird, so daß die prinzipiell unvermeidbaren Verluste aufgrund
von Wärmeabstrahlung sehr klein sind.
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Schließlich liegt es auch noch im Rahmen der Erfindung, bei Heiz-
oder Trocknungsvorrichtungen - erfindungsgemäße Sonnenkollektoren eignen sich neben
der Verwendung für industrielle Trocknungs- und Heizzwecke, bevorzugt zum Betreiben
von großen Trocknungsanlagen - , die Verbraucher, d.h., beispielsweise die rocknungstrommeln,
an einer gegenüber dem Sonnenkollektor erhöhten Stelle, beispielsweise auf einem
Hügel o.dgl. anzuordnen.
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Auf diese Weise ist es ohne weiteres möglich, die Luftzirkulation
innerhalb der Luftkammern sowie die Strömung zum Verbraucher fast ohne zusätzliche
Ventilatorleistung zu bewerkstelligen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann im Bereich der Brennlinie
des Reflektors gegebenenfalls ein Rohr angeordnet sein, um die in diesem Bereich
sich besonders stark erwärmende Luft zu sammeln und entweder in die Sammelleitung
einzuspeisen, oder aber auch in die Luftzuführöffnungen am unteren Ende der Luftkammern.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines AusfUhrungsbeispiels
sowie
anhand der Zeichnung. Dabei zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Schemaansicht eines
erfidungsgemäßen Sonnenkollektors mit aufgeklapptem Schutzdeckel; Fig. 2 einen Querschnitt
durch die Anordnung nach Figur 1 und Fig. 3 eine Darstellung der zum Aufbau der
Luftkasten des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors dienenden Wandstege und Querwände.
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Der erfindungsgemäße Sonnenkollektor besteht im wesentlichen aus einem
Flachkollektor 1 mit einem im Bereich dessen Unterkante 2 schwenkbar angelenkten
der auch frei montierbaren Schutzdeckel 3, der auf seiner Innenseite 4 als Reflektor
ausgebildet ist. Der rilachkollektor 1 besteht im wesentlichen aus einer Grundplatte
5 mit schräg zur Unterkante 2 gerichteten Schlitzen 6 zum Einstecken von Wandstreifen
7 bzw. 8, sowie gegebenenfalls auch horizontalen Schlitzen 9, in welche Querwände
10 einsteckba sind, die zur Unterteilung in einzelne Kammern 11 dienen.
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Die Wandstreifen 7 und 8 sind mit gegeneinander versetzten Öffnungen
12 bzw. 13 versehen, die zueinander parallele Reihen von durch versetzte Kammern
11 gebildeten Kanälen ergeben. Jeweils zwischen zwei Wandstreifen 7 und 8 sind lichtdurchlässige
Abdeckscheiben 14 aufgelegt, insbesondere derart, daß sie auf den in ihrer Höhe
gegenüber den Wandstreifen 7 und 8 erniedrigten Querwänden 10 aufliegen. Kleine
Abdeckscheiben jeweils je Kammer können auch varwendet werden. Die in den einzelnen
Kammern 11
befindliche Luft erwärmt sich an den Kammerseitenwänden
sowie dem Boden, die ihrerseits durch die Sonnenbestrahlung aufgeheizt werden, wozu
die Wände mit einem geeigneten dunklen Anstrich versehen sein können. Dabei tritt
Umgebungsluft durch die Lufteintrittsöffnungen 12 ein und gelangt aufgrund der Btautenform
der Kammern 11 im wesentlichen längs eines Wirbelpfades, wie er gestrichelt in Figur
1 angedeutet ist, zur Durchtrittsöffnung 13 der nach rechts und oben versetzt anschließenden
Kammer 11 usw., bis schließlich die mehr und mehr erwärmte Luft durch eine der miteinander
verbundenen Sammelleitungen 15 und 16 abgesaugt wird, von wo aus sie einem beliebigen
Verbraucher zugeführt werden kann. Diese Wirbelbildung begünstigt dabei einen günstigen
Wärmeübergang, da auf diese Weise praktisch alle Innenwände jeder Kammer 11 von
der Luft überstrichen werden und die durch die Sonnenbestrahlung aufgenommene Wärme
an die Luft abgeben können. Die Strömungsführung in dem geneigt angeordneten Flachkollektor
1 schräg nach oben ergibt insgesamt eine Zugwirkung, so daß bei entsprechend großer
Ausbildung eines derartigen Flachkollektors allein diese Kaminwirkung zur Aufrechterhaltung
der Luft zirkulation ausreichen kann bzw. diese soweit unterstützt, so daß allenfalls
nur noch eine sehr geringe 5augleistung zur Förderung der Luft durch den Flachkollektor
zusätzlich aufgebracht werden muß.
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Die Stütze 17 in den schematischen Figuren 1 und 2 ist als Teleskopstütze
dargestellt und verdeutlicht damit, daß der die Luftkästen oder Kammern 11 enthaltende
Flachkollektor 1 in seiner Neigung zur Horizontalen einstellbar sein soll, ebenso
wie
auch der innenseitig als Reflektor ausgebildete Schutzdeckel 3 vorteilhafterweise
in verschiedenen Winkelstellungen anordenbar sein soll, so daß auf diese Weise eine
Anpassung an den jeweiligen Sonnenstand, d.h., die Jahreszeit, erfolgen kann.
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Zur Anpassung an die Wanderung der Sonne im Tagesverlauf kann der
erfindungsgemäße Sonnenkollektor bevorzugt drehbar auf seiner Auflagefläche angeordnet
sein, um von Hand oder automatisch der Sonne nachgeführt werden zu können. Auf diese
Weise gewinnt man ca. 30 % an Energie gegenüber einer starren Aufstellung. Diese
drehbare Anordnung läßt sich dabei bei einem erfindungsgemäßen Sonnenkollektor besonders
einfach durchführen, da der erfindungsgemäße Aufbau neben der konstruktiven Einfachheit
vor allem eine beträchtliche Gewichtsersparnis gegenüber bekannten Konstruktionen
bewirkt, so daß die drehbare Lagerung demzufolge auch verhältnismäßig einfach bewerkstelligt
werden kann.
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Der Schutzdeckel 3 besteht neben einem zum Ausgleich der Höhe des
Flachkollektors dienenden Schwenkabschnitt 18 im Anschluß an die Schwenkkante 2
im wesentlichen aus einem flachen Reflektorab8chnitt 19 und einem sich daran anschließenden
Konzentratorabschnitt 20 mit einer Brennlinie bei 21. <dm diese Brennlinie kann,
wie in Figur 2 angedeutet ist, ein Sammelrohr 22 angeordnet sein, um die in diesem
Bereich besonders stark erwärmte Luft abzusaugen und entweder den Sammelleitungen
15,16 zuzuführen, falls die Temperatur bereits genügend hoch ist, oder aber, um
diese Luft in die Lufteintrittsöffnungen 12' einzuspeisen. Die Anordnung der Lufteintrittsöffnungen
12' im Bereich
der Schwenkkante 2 zwischen Flachkollektor 1 und
Reflektor-Schutzdecke 3 bewirkt, die man insbesondere der in Figur 2 gestrichelt
eingezeichneten Luftströmung entnehmen kann, daß bereifs vor erwärmte Luft am unteren
Ende des Flachkollektors eintritt. Dadurch wird nicht nur der Wirkungsgrad entsprechend
erhöht, sondern es ergibt sich durch die die Abdeckscheiben 14 überstreichende Luft
gleichzeitig eine Kühlung dieser Abdeckscheiben. Dadurch wird die prinzipiell unvermeidbare
Xårmeabstrahlung durch den Flachkollektor verringert und somit gegenüber bekannten
Anordnungen eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades bewirkt.
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Die Wandstreifen 7 und 8 sind mit bis etwa zur Mitte reichenden Einsteckschlitzen
24 bzw. 25 versehen, in welche die gleichfalls mit Einsteckschlitzen 26 versehenen
Querwände 10 eingesteckt werden können. Auf diese Weise läßt sich der Flachkollektor
aus den einzelnen Bauteilen besonders einfach aufbauen, wobei gegebenenfalls es
auch noch möglich ist, die Bodenplatte 5 mit unterschiedlich geneigten Schlitzrastern
zu versehen, so daß verschiedene Neigungsformen und Rautenausbildungen der Grundrisse
der Kammern 11 zustandekommen. Durch eine derartige Äußerung der Rautenform läßt
sich die Wirbelbildung der strömenden Luft und damit der Wärmeübergang beeinflussen.