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Absorberplatte zum Gewinnen der Sonnenstrahlungsenergle
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Absorberplatte zum Gewinnen
der Sonnenstrahlungsenergie.
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In jüngster Zeit sind bereits viele Versuche unternommen worden,
die an sich kostenlos zur Verfügung stehende Sonnenstrsh1wlgsenergie mit Hilfe von
geeigneten Plattensammlern oder sogenannten Absorberplatten zu gewinnen. An heißen
Sonnentagen läßt sich in mittnleuropäischen Breitengraden in der Mittagszeit, d.h.
bei fast senkrecht einstrahlender Sonne, eine Sonnenenergie von ca. 900 Watt pro
Stunde erzeugen. Die erzielbaren Temperaturen liegen größenordnungsmäßig bei 100°
C, so daß man dabei das Wärmeübertragungsfluid, welches innerhalb der Absorberplatten
fließt, je nach der Strömungsgeschwindigkeit dieses Fluids, auf Temperaturen bis
zu 800 C erhitzen kann. Dieses erhitzte Fluid, vorzugsweise Wasser, wird entweder
an Wärmespeicher oder direkt an Heiz- oder Warmwasserversorgungsanlagen weitergeleitet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, für diese überall
vorhandene Sonnenenergie eine Absorberplatte zu schaffen, die auf einfachste Weise
und ohne großen Kostenaufwand
herstellbar ist und dabei einen möglichst
hohen Wirkunosgrad bei der Übertragung der Sonnenstrahlung auf das Wärmeübertragungs
fluid aufweist.
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Eine solche Absorberplatte ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß durch eine obere und eine untere Wandung und dazwischen angeordnete, den Zwischenraum
zwischen diesen Wandungen in parallele Kanäle unterteilenden Stegen eine einstückige
Platte mit einer Vielzahl von einlagig nebeneinander liegenden, das Wärmeübertragungsfluid
führenden Kanälen gebildet ist und daß diese Platte auf der der Sonne zugekehrten
Außenseite ihrer oberen Wandung eine matte, dunkle, insbesondere schwarze, wärmestrahlungabsorbierende
Fläche und im Bereich ihrer unteren Wandung eine stark wärmestrahlung-reflektierende
Fläche aufweist.
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Nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist die Absorberplatte
so ausgestaltet, daß sowohl die obere als auch die untere Wandung als ebene Fläche
ausgebildet ist, wobei die den Zwischenraum in parallele Kanäle unterteilenden Stege
senkrecht zu diesen Wandungen angeordnet sind. Dabei weist die eine Wandung eine
wärmestrahlung-absorbierende Fläche und die andere Wandung eine wärmestrahlung-reflektierende
Fläche auf.
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Die einfachste und billigste Lösung bei der Herstellung der erfindungsgemäßen
Absorberplatte ist die, eine bereits als Glasscheiben-Ersatz, insbesondere für Treibhaus-,
Klein- -schwimmhallen-Verglasung, Türfüllungen usw. auf dem Markt befindliche Acrylglasplatte,
die von der Firma Röhm GmbH, Darmstadt, Westdeutschland, vertrieben wird, und welche
aus einer eben ausgebildeten oberen und unteren Wandung und senkrecht zu diesen
Wandungen angeordneten, den Zwischenraum zwischen diesen Wandungen in parallele
Kanäle unterteilenden Stegen besteht, als Grundelement der erfindungsgemäßen Absorberplatte
zu verwenden, wobei die eine Wandung mit einer wärmestrahlung-absorbierenden Schicht,
im einfachsten Fall mit einer matten, schwarzen Farbe bestrichen, und
die
andere Wandung mit einer wärmestrahlung-reflektierenden Schicht, beispielsweise
durch AufdamFfen einer Hochglanz-Aluminiumschicht oder Unterlegen einer Hochglanz-Aluminiumfolie
auf der äußeren Oberfläche der unteren Wandung dieser Platte versehen wird.
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In einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Kanäle eine
ebene obere Wandung und eine halbkreisförmige untere Wandung auf, wobei die untere
Wandung gegebenenfalls durch Stege eine Verlängerung bis zur oberen Wandung erfährt,
wodurch sich ein wannenförmiger Querschnitt für die einzelnen Kanäle ergibt; bei
Verwendung von Acrylglas oder anderes durchsichtigen Kunststoffmaterial für diese
Platte werden durch die untere halbkreisförmig ausgebildete, wärmestrahlung-reflektierende
Wandung die Wärmestrahlen wieder zu der durch den Halbkreisdurchmesser festgelegten
"Brennlinie", welche sich vorzugsweise in der Kanalmittelachse befindet, zurückreflektiert.
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Bei einer dritten Ausgestaltung der Erfindung sind die einzelnen
Kanäle in der Platte hinsichtlich ihres Querschnitts durch jeweils eine halbkreisförmig
nach außen gekrümmte obere und untere Wandung begrenzt und bilden dadurch einen
kreisförmigen Querschnitt. Diese Ausgestaltung bringt Vorteile in zweifacher Hinsicht:
durch die halbkreisförmig ausgestaltete und mit einer wärme absorbierenden Schicht
versehene obere Wandung trifft bei den grundsätzlich nach Süden ausgerichteten Absorberplatten
auch die aus der Ost- bzw. Westrichtung kommende Sonnenstrahlung auf die nunmehr
teilweise nach Osten und teilweise nach Westen ausgerichteten, seitlichen Kanaloberflächenbereiche
unter einem senkrechten Winkel auf. Die untere halbkreisförmig ausgebildete, strahlungreflektierende
Wandung wirft die Wärme strahlung wieder, wie vorstehend bereits ausgeführt, auf
die in der Kanalmittelachse liegende "Brennlinie" zurück, so daß in dieser Kanalmittelachse
die Stelle mit der höchsten Temperatur auftritt, was im Hinblick auf die nicht erwünschten
Wärmeverluste eine optimale Lösung darstellt.
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Bei einer vierten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Querschnitte
der Kanäle in der Platte einen im wesentlichen ovalen Querschnitt auf. Durch die
hierbei vorgesehene flachbogige Ausgestaltung der oberen als auch der unteren Wandung
ergeben sich ähnlich günstige Wärme strahlungabsorpt ions- und -reflexionseigenschaften
wie bei den vorstehend beschriebenen Platten mit kreisrundem Querschnitt. Mit der
flachbogigen oberen Ausgestaltung der Platte trifft die in der Mittagszeit aus Süden
auf die Absorberplatte auftreffende Sonnenstrahlung auf einen weit größeren Flächenbereich
der oberen Wandung in fast senkrechter Richtung auf, als dies bei einer halbkreisförmig
gekrümmten oberen Wandung der Fall ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dß die einzelnen
Kanäle in der Platte hinsichtlich ihres Querschnitts im wesentlichen durch eine
flachbogig nach außen gekrümmte obere Wandung und durch eine halbkreisförmig nach
außen gekrümmt untere Wandung begrenzt sind und einen oben abgeflachten kreisförmigen
Querschnitt bilden. Dadurch werden die günstigen Eigenschaften der flachbogigen
oberen wärme strahlung-absorbierenden Wandung, bei welcher die Mittagssonne auf
einen weit größeren Flächenbereich auftrifft als dies bei einer halbkreisförmigen
Wandung der Fall ist, mit der günstigen halbkreisförmigen Ausgestaltung der unteren
wärmestrahlung-reflektierenden Wandung kombiniert, bei welcher der Bereich mit der
höchsten Temperatur in der Mittelachse der Kanäle liegt.
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Die Plattenkörper können aus einem Metall, insbesondere aus Aluminium
und seinen Legierungen, Kupfer, Stahl, verzinktem Eisenblech, Zinkblech oder aus
Kunststoff, insbesondere durchsichtigem Kunststoff, wie z. B. Acrylglas, bestehen.
Bei Platten aus undurchsichtigem Material ist die wärmestrahlung-reflektierende
Fläche
in einem gewissen Abstand von der unteren Wandung angeordnet. Die in Abstand angeordnete
strahlungreflektierende Fläche kann eben oder in ForX von jeweils unter jedem Kanal
angeordneten Rinnen oder Reihen von Schalen ausgebildet sein. Bei Platten aus einem
durchsichtigen Material kann die wärmestrahlung-reflektierende Fläche entweder unmittelbar
auf der Innenseite oder auf der Außenseite der unteren Wandung in Form einer aufgedampften
Hochglanz-Metallschicht oder einer auf- oder untergelegten Hochglanz-Metallfolie,
insbesondere aus Aluminium, Chrom, Nickel oder ähnlichem vorgesehen sein.
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Vorteilhaft ist auch eine Verbundplatte mit einer oberen rJärmestrahlung-absorbierenden
Wandung aus einem gut wärmeleitenden Metall, wie z. B. Kupfer, Aluminium und dessen
Legierungen, Stahl usw., und einer unteren Wandung aus einem durchsichtigen Material,
insbesondere Acrylglas und ähnlichem. Bei einer solchen Verbundplatte wird die absorbierte
Strahlungsenergie sehr gut durch metallische Leitung an das Kühlfluid übergeführt,
während bei einer durchsichtigen unteren, insbesondere halbkreisförmigen wärmestrahlung-reflektierenden
Wandung das Reflexionsvermögen optimal ist.
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Die bei den Absorberplatten nach der Erfindung verwendete wärmestrahlung-absorbierende
Fläche wird in an sich bekannter Weise durch eine Beschichtung mit matter, schwarzer
Farbe hergestellt, z.B. mit einer unter der Bezeichnung Relius-Lack vertriebenen
Farbe. Es kann aber auch eine für diesen speziellen Zweck besonders geeignete, wärmestrahlung-absorbierende
matte, schwarze Folie auf die obere Wandung des Grundkörpers der Aborberplatte aufgezogen
werden. Bei Verwendung von Kupferblech mindestens für die obere Wandung der Absorberplatte
kann eine matte, schwarze Fläche in einfacher Weise durch Ausbilden einer matt-schwarzen
Kupferoxydschicht auf der äußeren Oberfläche dieser Platte hergestellt werden.
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Die vorstehend beschriebene Absorberplatte ist zur Verhinderung einer
Wärmeübertragung an die umgebende Atmosphäre, welche Wärmeübertragung bei bewegter
Luft und insbesondere bei windigem Wetter ganz erheblich ist, und vor allem auch
zur Verhinderung einer Verschmutzung oder Verwitterung der wärmestrahlungabsorbierenden
Schicht in einem gewissen Abstand über dieser Absorptionsschicht mit einer im wesentlichen
zur Absorptionsschicht parallelen, gut licht- und wärmestrahlung-durchlässigen Abdeckung
aus einer für diese Zwecke eigens entwickelten gut wärmestrahlungdurchlässigen Glasscheibe,
oder aus Drahtglas, Rillenglas, Kunstglas, evtl. sogar aus einer Klarsicht-Kunststoff-Folie,
oder aus einer Thermoscheibe, also einer loppelglasscheibe mit versiegeltem Innenraum
und besonders entspiegelten inneren Oberflächen, überdeckt. Der Abstand dieser gut
licht- und wärmestrahlung-absorbierenden Abdeckung von der Absorptionsschicht ist
am besten durch einfache Versuche zu bestimmen. Unterhalb der wärmestrahlungreflektierenden
Fläche der Absorberplatte ist eine Isolierschicht, vorzugsweise aus Hartschaum,
angeordnet, welche die Wärmeverluste speziell durch Wärmeübertragung aus der Absorberplatte
verhindern soll. Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, die licht- und wärmestrahlung-durchlässige
Abdeckung, die eigentliche Absorberplatte mit den wärmestrahlung-absorbierenden
bzw. wärmestrahlung-reflektierenden Oberflächen und die Isolierschicht zu einer
Einbau-Einheit durch eine besondere Rahmenkonstruktion zusammenzufassen.
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Die Erfindung soll nun anhand von Ausfühnulgsbeispiel en, welche
die Erfindung jedoch nicht einschränken sollen, in Verbindung mit den anliegenden
Zeichnungen näher erläutert werden; darin zeigen: Fig. 1a und 1b eine erste Ausführungsform
der Absorberplatte im Querschnitt und in Draufsicht;
Fig. 2a und
2b eine zweite Ausführungsform der Absorberplatte im Querschnitt und in Draufsicht;
Fig. 3a und 3b eine dritte Ausführungsform der Absorberplatte im Querschnitt und
in Draufsicht; Fig. 4a und 4b eine vierte Ausführungsform der Absorberplatte im
Querschnitt und in Draufsicht; Fig. 5a, 5b und 5c eine fünfte Ausführungsform der
Absorberplatte im Querschnitt und in Draufsicht; Fig. 6a, 6b und 6c eine sechste
Ausführungsform der Absorberplatte im Querschnitt und in Draufsicht; Fig. 7 eine
siebte Ausführungsform im Querschnitt; und Fig. 8 eine zu einer Einbau-Einheit zusammengefaßte
Absorberplatte mit einer in Abstand darüber liegenden Abdeckung und einer unterhalb
der Absorberplatte angeordneten Isolierschicht.
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In Fig. la ist im Querschnitt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Absorberplatte 1, bei welcher der Grundkörper 2 der Platte aus einer im Stranggieß-Verfähren
hergestellten einstückigen ebenen Platte mit einer oberen Wandung 3 und einer unteren
Wandung 4 und dazwischen angeordneten Stegen 5, welche die parallelen Kanäle 6 bilden,
dargestellt. In diesen Kanälen 6 wird das Wuhlfluid, vorzugsweise Wasser, hindurchgeführt.
Auf der Außenseite dieser Kanäle 6 ist ein nichtwasserführender Hohlrahm 7, welcher
vorzugsweise als Montagerahmen dient, vorgesehen. Auf der Oberseite dieses Grundkörpers
2 ist eine wärmestrahlung-absorbierende Beschichtung 8 aus einer schwarzen, matten
Farbe aufgetragen, während auf der Unterseite
dieses Grundkörpers
2 eine Hochglanz-Aluminiumschicht 9 aufgedampft oder eine Hochglanz-Aluminiumfolie
untergelegt ist. Die Fig. 1b zeigt in Draufsicht den Verlauf der Vielzahl von parallel
zueinander und nebeneinander angeordneten Kanäle 6 sowie des seitlichen Hohlrahmens
7.
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Die in Fig. 2a, 2b dargestellte zweite Ausführungsform der Absorberplattelbesteht
im wesentlichen aus den gleichen Elementen wie die in Fig. la, 1b dargestellte erste
Ausführungsform, nämlich aus einem aus Plexiglas hergestellten Grundkörper 2 mit
wiederum parallel zueinander angeordneten Kanälen 6 mit rechteckigem Querschnitt,
wobei auf der oberen Wandung 3 der Absorberplatte 1 eine wärmestrahlung-absorbierende
schwarze, matte Schicht 8 und im Bereich der unteren Wandung 4 als stark wärmestrahlung-reflektierende
Fläche eine Vielzahl von unterhalb der jeweiligen Kanäle 6 und in Richtung dieser
Kanäle 6 verlaufenden Reihen von Schalen 10 angeordnet ist, wobei der Durchmesser
dieser Schalen 10 der Breite der Kanäle 6 entspricht und deren Krümmung so festgelegt
ist, daß sich die reflektierten Wärmestrahlen in Brennpunkten F treffen, die etwa
in der Mittelachse dieser Kanäle 6 liegen. Unterhalb dieser so ausgebildeten Absorberplatte
1 ist eine gegen Wärmeverluste schützende Isolierplatte 11 aus Hartschaum angeordnet.
Fig. 2b zeigt in Draufsicht die reihenartige Anordnung der Schalen 10.
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Fig. 3a, 3b zeigt eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform dahingehend,
daß die stark wärmestrahlung-reflektierende Fläche statt aus einer Vielzahl von
Schalen 10 nunmehr aus einer Vielzahl von Rinnen 12 besteht, deren Krümmung so festgelegt
ist, daß sich die reflektierten Strahlen etwa in der Mittelachse der Kanäle 6 als
sogenannter "Brennlinie" F treffen.
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Fig. 3b zeigt in Draufsicht den Verlauf der Rinnen 12, welche mit
den Kanälen 6 jeweils deckungsgleich angeordnet sind.
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Bei einer vierten Ausführungsform nach Fig. 4a, 4b besteht der Grundkörper
2 der Absorberplatte 1 aus einer Vielzahl von einzelnen Kanälen 13, welche durch
eine eben ausbIldete obere Wandung 3 und eine halbkreisförmig nach außen gekrümmte
untere Wandung 14 sowie durch seitliche Stege 5 begrenzt sind und einen wannenförmigen
Querschnitt bilden. Auf der oberen Wandung 3 ist wiederum eine wärmestrahlung-absorbierende
Beschichtung 8 aufgetragen, während auf der unteren Wandung 14 bei diesem aus Plexiglas
hergestellten Grundkörper 2 eine wärmestrahlung-reflektierende Beschichtung 15 aus
einer untergelegten Hochglanz-Aluminiumfolie bzw. aus einer aufgedampften Hochglanz-Aluminiumschicht
vorgesehen ist. Die von dieser wärmestrahlung-reflektierenden Schicht reflektierten
Strahlen treffen sich wiederum in einer "Brennlinie" F, welche etwa in der Mittelachse
der Kanäle 13 liegt. Unterhalb der wärmestrahlung-reflektierenden Schicht 15 ist
wiederum eine Isoierplatte 11 angeordnet. Die Fig. 4b zeigt in Draufsicht die in
dem Grundkörper 2 parallel zueinander angeordneten Kanäle 13.
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Die Fig. 5a, 5b und 5c zeigen eine fünfte Ausführungsform eines durch
Stranggießen hergestellten einstückigen Grundkörpers 2, der aus einer Vielzahl von
einlagig nebeneinander angeordneten, parallelen Kanälen 16 mit kreisrundem Querschnitt
besteht. Fig. 5a zeigt einen aus metallischen Werkstoff hergestellten Grundkörper
2, bei welchem die wärmestrahlung-reflektierende Fläche 17 im Bereich der unteren
Wandung 4 als eine ebene Platte ausgebildet ist. In Fig. 5b ist der in gleicher
Weise ausgestaltete Grundkörper 2 aus Acrylglas hergestellt, bei welchem nunmehr
die wärmestrahlung-reflektierende Schicht 18 aus einer aufgedampften Hochglanz-Aluminiumschicht
bzw. einer untergelegten Hochglanz-Aluminiumfolie besteht. Jeweils unter der wärmestrahlung-reflektierenden
Fläche 17 bzw. Schicht 18 ist eine Isolierschicht 11 vorgesehen. Fig. 5c zeigt in
Draufsicht den Verlauf der parallel zueinander angeordneten Kanäle 16.
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Fig. 6a, 6b, 6c zeigt eine sechste Ausführungsform des Grundkörpers
2, bei welchem die einzelnen parallel zueinander angeordneten Kanäle 19 einen ovalen
Querschnitt aufweisen. In Fig. 6a besteht der Grundkörper 2 aus einem metallischen
Werkstoff, so daß hier die wärmestrahlung-reflektierende Fläche 17 aus Hochglanz-Aluminiumfolie
in einem gewissen Abstand angeordnet sein muß. In Fig.6b ist der Grundkörper 2 aus
Acrylglas hergestellt, so daß die wärmestrahlung-reflektierende Schicht 15 aus Hochglanz-Aluminiumfolie
unmittelbar auf die Außenseite der unteren Wandung 4 aufgelegt ist. Bei beiden Ausgestaltungen
nach Fig. 6a und 6b ist jeweils unterhalb der wärmestrahlung-reflektierenden Schicht
15 bzw. Fläche 17 eine Isolierplatte 11 vorgesehen. Fig. 6c zeigt schließlich in
Draufsicht den Verlauf der einzelnen parallel zueinander angeordneten Kanäle 19.
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Fig. 7 zeigt eine siebte Ausführungsform eines Grundkörpers 2, bei
welchem die einzelnen Kanäle 20 einen oben abgeflachten kreisförmigen Querschnitt
aufweisen. Die wärmestrahlungabsorbierenden bzw. wärmestrahlung-reflektierenden
Schichten bzw.
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Flächen sind auch hier wiederum wie in den vorstehenden Ausführungsbeispielen
angeordnet.
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Schließlich ist in der Fig.8 eine eigentliche Einbau-Einheit mit
einer in den vorstehend beschriebenen Ausfürrungsbeispielen beschriebenen Absorberplatte
1 gezeigt, welche auf ihrer oberen Wandung 3 eine wärmestrahlung-absorbierende Schicht
8 und im Bereich ihrer unteren Wandung 4 eine wärmestrahluiigreflektierende Schicht
12 in Rinnenform aufweist. Unterhalb dieser wärmestrahlung-reflektierenden Schicht
12 ist wiederum eine Isolierplatte 11 angeordnet, während über der wärmestrahlungabsorbierenden
Schicht 8 eine Thermoscheibe 21 angeordnet ist, welche durch seitliche Isolierleisten
23 in einem bestimmten Abstand von der wärmestrahlung-absorbierenden Schicht 8 gehalten
ist. Die seitlichen Isolierleisten 23 sind im wesentlichen auf den nicht-wasserführenden
Hohirahmen 7 angeordnet und auf ihrer zum Hohlraum 22 hin orientierten Seitenfläche
24 mit einer Hochglanz
-Aluminiumfolie bedeckt. Die ganze Einbau-Einheit
wird durch einen Winkelrahmen 25, welcher im wesentlichen die Absorberplatte 1,
die Isolierplatte 11 und die seitlichen Isolierleisten 23 zusammenfaßt, sowie durch
eine Winkelprofilleiste 26, welche die Thermoscheibe 21 einfaßt, zusammengehalten.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht nur auf die angegebenen Ausführungsformen,
insbesondere hinsichtlich der einzelnen Kanal querschnitte der die Absorberplatte
bildenden Kanäle beschränkt. Im Rahmen der Erfindung können die einzelnen Kanäle
in der Platte hinsichtlich ihres Querschnitts aus einer beliebigen Kombination einer
ebenen bzw. halbkreisförmig bis flachbogig oder eckig bis mehreckig nach außen gewölbten
oberen Wandung mit einer ebenen bzw. halbkreisförmig bis flachbogig oder eckig bis
mehreckig nach außen gewölbten unteren Wandung zusammengesetzt sein.