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Bezeichnung: Sonnenkollektor
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Beschredung: Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor mit einem
dichten, mindestens ein lichtdurchlässiges Deck-Element aufweisenden Gehäuse und
mindestens einer in diesem angeordneten hbsorberplatte, die eine der Sonne zuzuwenden
bestimmte Frontfläche und eine dieser abgewandte Rückfläche aufweist.
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Zur Umwandlung von Sonnenlicht in Wärme werden häufig Sonnenkollektoren
mit einem dichten Gehäuse verwendet, das auf einer Seite mit einer oder meistens
zwei lichtdurchlässigen Scheiben versehen ist. Hinter der hinteren Scheibe ist eine
ebene Absorberplatte angeordnet, die mit Kanälen für eine zum Transportieren der
Wärme dienenden Flüssigkeit versehen ist. Auf der der Sonne abgewandten Rückseite
der Adsorberplatte ist eine Wärmeisolation vorhanden, um die Wärmeverluste möglichst
klein zu halten.
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Bei diesen vorbekannten Sonnenkollektoren sind jedoch die Wärmeverluste
trotz der genannten Wärmeisolation immer noch relativ gross. Dies hat den Nachteil,
dass die Sonnenkollektoren zur Gewinnung einer vorgegebenen Wärmemenge verhältnismässig
gross sein müssen und dementsprechend
teuer sind. Zudem wird die
Wärmeausbeute bei diesen Kollektoren im Winter oft dermassen klein, dass die Wärme
praktisch nicht mehr verwertbar ist.
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Des weitern sind Parabol-Kollektoren bekannt, die einen Spiegel in
der Form eines Parabol-Zylinders und einen durch dessen Brennlinie verlaufenden
Absorberstab aufweisen. Diese Sonnenkollektoren haben jedoch den Nachteil, dass
sie der bewegung der Sonne nachgeführt werden müssen. Des weitern haben sie den
Nachteil, dass zwar die direkte Sonneneinstrahlung, nicht aber das diffuse Licht
für die Wärmeerzeugung ausgenutzt werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Sonnenkollektor
zu schaffen, der die genannten Nachteile der vorbekannten Ausführungen nicht aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Sonnenkollektor der einleitend beschriebenen
Art gelöst, der erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass das lichtdurchlässige
Deck-element einen sich ungefähr über die Front fläche der Absorberplatte erstreckenden
Front-Abschnitt und seitlich von mindestens einem Rand der Absorberplatte einen
Wand-Abschnitt und einen von der Absorberplatte weg nach aussen gerichteten Seiten-Abschnitt
aufweist, wobei sich der Wand-Abschnitt mindestens bis zur Rückfläche der Absorberplatte
erstreckt, und dass im Gehäuse ein der Rückfläche der Absorberplatte und dem Seiten-Abschnitt
des lichtdurchlässigen Deck-Elementes zugewandter Spiegel angeordnet ist, dessen
sich im Bereich der Absorberplatte befindender Abschnitt sich mindestens annähernd
bis zur Absorberplatte erstreckt.
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Der Erfindungsgegenstand soll nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels erläutert
werden. Die einzige Figur der beichnang
zeibt einen Schnitt durch einen Sonnenkollektor.
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Der in der Zeichnung dargestellte SonnenKollektor 1 weist ein als
Ganzes mit 2 bezeichnetes Gehäuse auf. Dieses besteht im wesentlichen aus einem
aus wärmeisolierendem Kunststoff bestehenden Bodenteil 3, Seitenwänden und einem
lichtdurctllässigen sowie lichtbeständigen, auf der oberen Seite des bodenteils
befestigten Deck-Element 4. Das letztere kann etwa aus Kunststoff, beispielsweise
Acrylglas, oder Glas, bestehen. Der Bodenteil 3, die Seitenwände und das lichtdurchlässige
Deck-Element 4 begrenzen zusammen einen gegen aussen luftdicht abgeschlossenen Hohlraum
5. In diesem ist eine im wesentlichen ebene Absorberplatte 6 angeordnet und fixiert.
Die Absorberplatte 6 besteht aus einem metall mit einer grossen Wärmeleitung5 beispielsweise
Kupfer, und ist im weiteren so beschaffen, dass sie einen grossen Teil des auf sie
auftreffenden Sonnenlichtes absorbiert und in Wärme umwandelt. Zweckmassigerweise
ist sowohl ihre dem lichtdurchlässigen Deck-Element 4 zugewandte Front fläche 6a
als auch ihre Rückfläche 6b mit einem selektiv absorbierenden Uberzug versehen,
der im Bereich der Sonnenlicht-Wellenlänge, d.h. für Wellenlängen von etwa 0,2 bis
2 ihm, eine möglichst grosse Absorption aufweist und im Bereich der Wärmestrahlungs-Wellenlängen,
d.h. für Wellenlängen von etwa 4 bis 2b + m, wie ein Spiegel wirkt. Die Absorberplatte
6 ist des weitern mit mindestens einem Kanal 6c versehen, der etwa durch ein gut
wärmeleitend angelötetes Rohr gebildet sein kann, dessen Enden an einer geeigneten
Stelle aus dem Gehäuse 2 herausgeführt und mit Anschlüssen versehen sind.
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Die Breite der im Grundriss rechteckigen Absorberplatte 6 ist im vorliegenden
Fall etwas kleiner als die halbe Breite des Hohlraumes 5. Der sich vor der Absorberplatte
6 befindende,
zu dieser parallele, ebene, sich ungefähr über die
Frontfläche öa erstreckende Abschnitt des lichtdurchlässigen Deck-hlemen tes 4 wird
im folgenden als Front-Abschnitt 4a bezeichnet.
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An diesem schliesst der sich in der Zeichnung auf der linken Seite
des Randes 6d der Absorberplatte 6 befindende Wand-Abschnitt 4b an, der ungefähr
rechtwinklig zum Front-Abschnitt 4a gegen den Bodenteil 3 verläuft und sich mindestens
bis zur Rückfläche 6b der Absorberplatte 6 erstreckt.
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Das lichtdurchlässige Deck-Element 4 weist des weitern einen Seiten-Abschnitt
4c auf, dessen Breite etwa das 0,7- bis 2,5-fache derjenigen des Front-Abschnittes
4a beträgt. Der Seiten-Abschnitt 4c hängt in der Nähe des Absorberplattenrandes
6d mit dem Wand-Abschnitt 4b zusammen und verläuft von der Absorberplatte 6 weg
nach aussen, und zwar geneigt gegen den Bodenteil 2 hin. Der Winkel zwischen dem
Seiten-Abschnitt 4c und dem Front-Abschnitt 4a kann etwa 0° bis 400, und vorzugsweise
0 bis 30 betragen. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ragt der Rand 4d des Wand-Abschnittes
4b in den Hohlraum 5 hinein. Die Absorberplatte 6 erstreckt sich annähernd bis zum
Wand-Abschnitt 4b. Der Front-Abschnitt 4a ist an seinem freien Längsrand mit einem
nach oben vorstehenden Vorsprung 4e versehen.
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Zwischen dem Front-Abschnitt 4a und der Absorberplatte 6 ist eine
lichtdurchlässige Platte 7 angeordnet, die auf einer Schulter des Bodenteiles 3
und einer mit dem Wand-Abschnitt 4b verbundenen Leiste 8 befestigt ist. Die Platte
7 ist dabei derart beRestigt, dass sie den sich zwischen ihr und dem Front-Abschnitt
4a befindenden Raum vom restlichen Teil des Hohlraumes 5 nicht gerade dicht, aber
doch so abgrenzt, dass sich keine Konvektionsströmungen zwischen den Teilräumen
ausbilden können.
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Im Gehäuse 2 ist auf der Innenseite des Bodenteiles 3 ein der Rückfläche
6b der Absorberplatte 6 und dem Seiten-Abschnitt 4c des Deck-Elementes 4 zugewandter
Spiegel 9
angeordnet. Dieser weist auf der sich in der Figur rechts
befindenden Seite einen Abscnnitt 9a auf, der im Quersciinitt kreisbogenförmig ist,
also einen Abschnitt eines Kreis-Zylindermantels bildet und sich mindestens annähernd
bis zu dem dem Rand 6d abgewandten Rand 6e der Absorberplatte 6 erstrecKt. Der sich
auf der linken Seite der Figur befindende Abschnitt 9b des Spiegels 9 ist im Querschnitt
parabelförmil, und bildet also einen Abschnitt eines Parabol-Zylindermantels. Die
mit 10 bezeichnete Symmetrieebene des Parabol-Zylindermantels schneidet die Absorberplatte
6 ungefähr rechtwinklig in der Nähe des Randes Ud. Der Kreis-Zylindeflaantelabschnitt
9a des Spiegels 9 Kann sicn über einen Zentriwinkel von etwa 700 bis 1200 oder auch
von 900 bis 1400 erstrecken. Im vorliegenden Ball erstreckt er sich über etwa 900
und die Schnittlinie der Symmetrieebene 10 mit dem Spiegel 9 bildet gerade die Trennlinie
zwischen den beiden Spiegel-Abschnitten 9a und 9b. Der Radius des Kreis-Zylindermantelabschnittes
9a ist vorzugsweise etwas kleiner als die Breite der Absorberplatte 6. Die Achse
des Kreis-Zylindermantels sowie die Brennlinie des Parabol-Zylindermantels sind
identisch mit der Schnittgeraden 14 zwischen der Symmetrieebene 10 und der Absorberplatte
6. Der Abschnitt 9b erstreckt sich von der Symmetrieebene 10 bis zu einer diese
in der Schnittgeraden 14 schneidenden Ebene, wobei der Scheitelwinkel zwischen den
beiden Ebenen 300 bis 900 beträgt.
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Die Innenflächen der Seitenwände des Gehäuses 2 sind zweckmässigerweise
mit Spiegeln 15 versehen. Die Spiegel 9 und 15 können etwa aus Metall oder metallisierten
Kunststoff-Folien bestehen.
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Der Hohlraum 5 des Gehäuses 2 ist über einen Schlauch 11 mit einem
luftdichten, elastisch dehnbaren Druckausgleichsack 12 verbunden. Ferner kann er
mit einer nicht dargestellten,
ein Lufttrocknungsmittel enthaltenden
Behälter verbunden sein.
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Der Sonnenkollektor 1 kann etwa in ein nach Süden, oder allgemeiner
gesagt, gegen den Aquator hin geneigtes Dach eingebaut werden. Die unteren Ränder
der sich unmittelbar oberhalb des Sonnenkollektors 1 befindenden Ziegel können dann
den Vorsprung 4e hintergreifen. Der Kanal 6c der Absorberplatte 6 kann in einen
zum Wärmetransport dienenden Flüssigkeits-Kreislauf eingeschaltet werden. Im übrigen
kann natürlich auch das ganze Dach aus Sonnenkollektoren gebildet werden.
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Wenn nun die Sonne scheint, gelangen direkt einfallende Lichtstranlen
13 zum SonnenKollektor 1. Das durch den Front-Abschnitt 4a des lichtdurchlässigen
Deck-Elementes 4 eingestrahlWe Licht gelangt dann durch die Platte 7 hindurch auf
die Frontfläche 6a der Absorberplatte 6 und wird dort absorbiert und in Wärme umgewandelt.
Die durch den Seiten-Abschnitt 4c einfallende direkte Sonnenstrahlung wird dann
durch den Spiegel 9 zum grössten Teil auf die Rückfläche 6b der Absorberplatte 6
reflektiert und ebenfalls in Wärme umgewandelt. Wenn die Sonnenstrahlung parallel
oder ungefähr parallel zur Symmetrieebene 10 des Parabol-Zylinders einfällt, wird
sie ungefähr gegen die in der Symmetrieebene 10 verlaufende Brennlinie fokussiert
und gelangt also unter einmaliger Reflexion zur Absorberplatte 6. Bei unter gewissen
Winkeln einfallendem Licht kann eine mehrfache Reflexion erfolgen. Desgleichen wird
natürlich auch ein grosser Teil des diffusen, d.h. gestreuten, gebrochenen und ausserhalb
des Sonnenkollektors reflektierten Lichtes, das auf das lichtdurchlässige Deck-Element
4 auftrifft, zur Absorberplatte 6 gelangen. Lediglich unter sehr flachem Winkel
auf das lichtdurchlässige Deck-Element 4 auftreffendes Licht wird wegen der Totalreflexion
wieder nach aussen reflektiert. Durch eine geeignete
Festlegung
der geometrischen Verhältnisse kann dieser Teil jedoch senr klein gehalten werden.
Licht, das in der Figur schräg von rechts oben her durch den Seiten-Abschnitt 4c
hindurcndrint, wird durch den Spiegel-Abschnitt 9b teilweise wieder zum Seiten-Abschnitt
4c reflektiert. Ein Teil dieses Lichtes wird dann durch den Seiten-Abschnitt 4c
wieder zum Spiegel 9 reflektiert und kann so nacn mehrmaliger Reflexion doch noch
zur Absorberplatte 6 gelangen.
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Bei der Lichtabsorption wird die Absorberplatte 6 erwärmt.
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Dies hat zur Folge, dass auch die sich oberhalb und unterhalb der
Absorberplatte 6 befindende Luft erwärmt wird.
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Die Platte 7 verhindert jedoch, dass warme Luft zum Front-Abschnitt
4a aufsteigt und dort Wärme an die Umgebung abgibt. Da der Seiten-Abschnitt 4c nach
unten geneigt ist und da der Rand 4d des Wand-Abschnittes 4b den sich unmittelbar
unter der Absorberplatte 6 befindenden Bereich 5a des Hohlraumes j gegen den sich
unter dem Seiten-Abschnitt 4c befindenden Hohlraum-Bereich 5b abgrenzt, kann auch
keine warme Luft von der Rückfläche 6b der Absorberplatte 6 zum Seiten-Abschnitt
4c abströmen. Die sich unter der Absorberplatte 6 befindende Luft ergibt daher eine
sehr gute Wärmeisolation. Auf diese Weise kann mit einer verhältnismässig kleinen
Absorberplatte viel Wärme gewonnen werden. Dabei ist insbesondere vorteilhaft, dass
diese gute Wärmeisolation im Bereich des Seiten-Abschnittes 4c mit nur einer lichtdurchlässigen
Platte, eben dem Seiten-Abschnitt 4c, erreicht wird. Das durch den Seiten-Ab schnitt
4c einfallende Licht wird daher von diesem verhältnismässig wenig absorbiert und
reflektiert.
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Da der Hohlraum 5 gegen aussen luftdicht abgeschlossen ist, kann weder
Schmutz noch Wasser oder Wasserdampf in ihn eindringen. Dies gewährleistet, dass
sowohl die Absorberplatte 6 ihre Absorptionseigenschaften als auch der Spiegel 9
seine Reflexionseigenschaften beibehält. Infolge der
Temperaturänderungen
auftretende Druckschwankungen werden durch einen Luftaustausch zwischen dem Hohlraum
5 und dem Druckausgleichsack 12 ausgeglichen. Selbstverständlich kann der Hohlraum
5 auch mit einem schlecht wärmeleitenden, korrosionshemmenden Schutzgas gefüllt
werden.
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Der Sonnenkollektor kann in verschiedener Hinsicht modifiziert werden.
Beispielsweise kann anstelle der ebenen Absorberplatte 6 ohne weiteres eine etwas
gewölbte oder gewellte Platte vorgesehen werden. Des weitern können natürlich statt
einer grossen Absorberplatte mehrere kleine Absorberplatten nebeneinander angeordnet
werden.
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Ferner kann das Deck-Element 4 statt aus einem einzigen Stück auch
aus drei Platten zusammengesetzt sein, von denen jede einen der Abschnitte 4a,4b,4c
bildet.
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Es wäre auch möglich, das lichtdurchlässige Deck-Element nicht nur
beim Rand 6d, sondern auch beim gegenüberstehenden Längsrand der Absorberplatte
mit einem Wand- und einem Seiten-Abschnitt zu versehen. Dementsprechend wäre dann
auch ein zweiteiliger Spiegel vorzusehen.
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Des weitern kann der Seiten-Abschnitt 4c auch direkt bei der Verbindungsstelle
der Abschnitte 4a und 4b mit diesen zusammenhängen und sogar mit dem Front-Abschnitt
4a in einer gemeinsamen Ebene liegen.
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Ferner kann auch die Form des Spiegels verändert und statt gekrümmt
etwa entlang einem Polygonzug verlaufen. Im übrigen ist natürlich auch die Platte
7 nicht unbedingt erforderlich. Um die Entstehung von Konvektionsströmungen zwischen
der Absorberplatte und dem Deck-Element zu vermeiden, wäre das letztere dann derart
zu modifizieren, dass der Front-Abschnitt 4a ungefähr die Lage der Platte 7 einnimmt.