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Sonnenkollektor
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Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor mit einem von einem Kühlmedium
durchströmten Auffangen für die Sonnenstrahlung, einer der ankommenden Strahlung
zugewandten, lichtdurchlässigen, thermisch isolierenden Deckplatte, einer der Einstrahlrichtung
abgewandten, thermischen Isolierschicht und einem Gehäuse.
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Die heute gebräuchlichen Sonnenkollektoren verfolgen den Zweck, die
auf sie treffende Sonnenstrahlung mit möglichst hohem Wirkungsgrad in fühlbare Wärme
umzusetzen, die zur Aufbereitung von Warmwasser, zur Beheizung von Wohnräumen und
Schwimmbädern, zur Klimatisierung oder zur Erzeugung von mechanischer Energie benutzt
wird. Hierzu wird der eigentliche Auffänger für die Sonnenstrahlung, die Kollektorplatte,
durch bekannte Behandlung seiner Oberfläche mit hohem Absorptionsvermögen für die
auftreffende Sonnenstrahlung im Sichtbaren und kleinem Emissionsvermögen für den
infraroten Spektralbereich versehen, um eine gute Ausnutzung der einfallenden Sonnenstrahlung
zu ermöglichen. Um die Wärmeabgabe der im Betrieb heißen Kollektorplatte nach vorne,
d.h. der Sonne zugewandten Seite
möglichst klein zu halten, wird
die Abdeckung aus mehreren Glasflächen in geeignetem Abstand gebildet, wodurch bei
geneigtem Kollektor die Konvektionsverluste verringert werden.
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Die ebenfalls den Wirkungsgrad des Kollektors nachteilig beeinfluss
ende Wärmeabgabe von der Kollektorplatte nach rückwärts wird gewöhnlich durch plattenförmige
Schichten aus geschöumten Isolierstoffen vermindert. Beide Maßnahmen zur Verringerung
der gesamten Wärmeabgabe des Kollektors führen zu relativ großen Gesamtstärken und
hohen Gewichten, ergeben andererseits nur mäßige Wirkungsgrade.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sowohl den
Wirkungsgrad herkömmlicher Kollektoren merklich zu verbessern, so daß auch die diffuse
Sonnenstrahlung ausnützbar wird, als auch eine leichte und preisgünstige Konstruktion
zu ermöglichen; Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß das Gehäuse und die
Deckplatte einen gasdichten, flachen Behälter bilden, in dem das Füllgas dauernd
unter einem Unterdruck steht.
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Der Erfindung liegt hierbei die tberlegung zugrunde, daß durch Verringerung
des Gasdruckes unterhalb einem bestimmten Wert die Konvektion des Gases zwischen
Kollektorplatte und Deckscheibe, und damit die gegenüber einer ruhenden Gasschicht
drastisch erhöhte Wärmeabgabe vermieden wird.
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Nach einer Ausgestaltung derErfindung ist als Füllgas ein solches
mit im Verhältnis zu Luft wesentlich kleinerer Wärmeleitzahl, wie z.B. Argon, Kohlensäure
oder fluorierte Kältemittel verwendet.
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Durch Verwendung geeigneter Füllgase anstelle von Luft können wesentlich
kleinere Wärmeleitzahlen an sich erreicht werden.
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Vorzugsweise ist das flache Gehäuse des Kollektors vollkommen
gasdicht
ausgebildet und es ist Sorge getragen, daß beim Evakuieren die auf die Behälterwände
wirkenden Normalkräfte unschädlich gemacht werden. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus denUnteransprüchen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels erläutert. Die Zeichnung zeigt einen schematischen Schnitt
eines Teiles des Kollektors.
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Das Gehäuse 1, z.B. eine rechteckförmige Wanne, besteht aus gasdichtem
Material, wie Metall oder Kunststoff, und ist unterhalb des oberen Randes mit einer
gasdicht verschweißten oder auch angegossenen Verstärkung 3 versehen, die eine Rechtecknut
zur Aufnahme des endlosen Olig5 4 aus elastisch verformbarem und gasdichten Material
enthält. Die Abdeckscheibe 2 aus Glas oder organischem, durchsichtigen Stoffen liegt
zunächst lose und bündig mit dem Oberrand des Gehäuses 1 auf dem Dichtrand 3 auf
und wird beim Evakuieren des von Gehäuse 1 und Abdeckscheibe 2 gebildeten Flachbehälters
durch den Außendruck so stark angepreßt, daß sich ein vollkommen dichter Abschluß
ergibt. Zweckmäßig wird der Dichtring 4 mit bekanntem Vakuumfett eingerieben, um
auch nach langer Zeit die Vakuumbeständigkeit der Flachkammer garantieren zu können.
Natürlich existieren viele andere konstruktive und Herstellungsmöglichkeiten, den
Dichtring 4 derart zwischen Kammerwand und Deckscheibe 2 anzuordnen, daß beim Evakuieren
selbsttätig die Dichtung eintritt. Auch können mehrere Nuten hintereinander angebracht
und anstelle des 0-Ringes ein endloser, flacher Ring aus elastischem Dichtungsmaterial
verwendet werden.
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Zur Aufnahme der großen Normalkräfte infolge des Außendrucks nach
dem Evakuieren dienen Stützelemente 8 zwischen Eollektorplatte 5, Abdeckscheibe
2 und Rückwand des Gehäuses 1, deren Länge dem Abstand des Dichtrandes 3 von der
Bodeninnenfläche des Gehäuses 1 entsprechen, um eine übermäßige elastische Verformung
der Abdeckscheibe 2 zu verhndern. Unterteilte Stützen 7 halten gleichzeitig die
Kollektorplatte 5 etwa mittig zwischen
der Abdeckscheibe 2 und dem
Boden des Gehäuses Die durchgehenden Stützen 8 nehmen die auf die Abdeckscheibe
2 wirkenden Normalkrfte auf. In der Kollektorplatte 5 befinden sich entsprechende
Offeungen 9, die so groß sind, daß die Stützen 8 ohne Berührung der Kollektorplatte
5 und damit ohne Wärmeabfuhr, hindurchtreten können.
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Für die Stützen 7 und 8 kommen schlecht wärmeleitende Materialien,
wie Keramik, Teflon,Glas oder Kunststoffe mit hoher Druck- und Knickfestigkeit in
Betracht, damit ihre Querschnitte klein gewählt werden können und zumindest für
die unterteilten Stützelemellte 7 die Wärmeabfuhr von der Kollektorplatte 5 an Deckschicht
und Boden gering wird. Als Querschnittsformen kommen außer zylindrischen auch Flachstäbe
oder Hohlzylinder in Betracht und werden die Berührungsflächen von geringem Querschnitt
ausgebildet.
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Die Rückseite der Kollektorplatte 5 ist mit lose eingebrachter Isolierfolie
10 ausgefüllt, wle z.B. mit Aluminium bedampf-Xr Nylar-Folie, die im Vakuum nicht
ausgast und damit den Gasdruck in der Flachkammer nicht erhöht. Durch die Aluminiumbedampfung
werden Strahlungsverluste und Restkonvektion zwischen der Kollektorplatte und der
Rückwand des Gehäuses 1 unterbunden.
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Es würde auch genügen, die Rückseite der Kollektorplatte 5 und die
Innenseite des Gehäuses 1 mit einer gut reflektierenden Schicht zu bedecken.
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Die Kollektorplatte 5, die zur Wärmeabfuhr meistmianderförmig angeordnete
Kanäle 6 enthält, durch die das Kühlmittel strömen kann, besteht aus zwei relativ
dünnen Blechen aus Aluminium, Stahl oder V2A, in die durch Pressen Kühlkanäle 6
mit z.B.
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halbkredsförmigen Querschnitt eingedrückt werden, die mit der zweiten
Kollektorhälfte korrespondieren. Die äußeren Ränder, die Innenränder ii der Öffnungen
9 und die Anschlüsse der Zu-und Ableitungsrohre 12 werden gasdicht durch Schweißen,
Löten
oder Kleben verbunden. Nicht erforderlich wird eine dichte
Verbindung der beiden vorgeprägten Bleche an den nicht von der Kühlflüssigkeit durchströmten
Bereichen. Durch geeignete Anordnung der Stützelemente 7 nahe den Rändern der Kühlkanäle
6, werden diese durch die Normalkräfte so stark aufeinandergepreßt, daß nur ein
sehr dünner Spalt übrig bleibt.
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Zur gasdichten Durchführung der Anschlüsse 12 sind diese außen mit
Flanschen 13aids schlecht wärmeleitendem Material versehen die zur Aufnahme des
Dichtungsringes 14 eine Nut 15 besitzen ur beim Evakuieren durch den Außendruck
an die Seitenflächen des Gehäuses 1 gasdicht gepreßt werden. Durch Wellrohrkompensatoren
16 an jeder Zuführung 12 werden die thermischen Ausdehnungen zwischen Gehäuse 1
und Kollektorplatte 5 aufgenommen.
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Erfindungsgemäß werden als Füllgase solche mit geringer thermischer
Leitfähigkeit, d.h. solche mit rohem Molekulargewicht, wie trockene Kohlensäure,
Argon, Krypton, oder fluorierte Kohlenwasserstoffe (freon) benutzt. Diese Gase würden
bei Normaldruck trotz geringerer Wärmeleitfähigkeit in einem geneigten Kollektor
wegen der stark angeregten Konvektionsströmung keinen Vorteil gegenüber einer Füllung
mit Zuluft erbringen.
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Durch Evakuieren auf 1/5 bis 1/10 des Normaldruckes wird die Konvektion
weitgehend unterbunden und kommt die im Verhältnis zu Luft um 40 bis 70 % geringere
thermische Leitfähigkeit zur Auswirkung. Das bedeutet, daß sich die Wärmeableitung
bei Betriebsdruck, z.B. 0,1 b, zu der im gefluteten Zustand, also Normaldruck etwa
1 : 10 verhalten wird. Diese Möglichkeit der Beeinflussung der thermischen Verluste
kann zudem bei außergewöhnlichen Betriebszuständen, wie beim Ausfall der Umwälzpumpe
am Kollektor, von Vorteil sein, weil man durch Fluten der Behält erfüllung eine
tberhitzung des Kollektors verhindern kann, wenn das Evakuierungsventil 16 elektromagnetisch
oder pneumatisch zu öffnen ist.
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Zum Evakuieren dient das Absperrventil 16, das in der Regel verschlossen
bleibt. Der im Behälter herrschende Druck läßt sich mit einem Unterdruckmanometer
laufend überwachen.
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Zur Ubersichtsmessung des Druckes an einer Vielzahl von Eollektoren
kann man auch zwischen den isoliert befestigten Kollektorplatten und den geerdeten
Gehäusen 1 eine Hochfrequenzentladung mittels eines gebräuchlichen Vakuumprüfers
zünden, die durch die Vorderscheibe kritisch beurteilt werden kann.
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Der große Vorteil der Erfindung bei Hochleistungskollektoren durch
ein mäßiges Vakuum zur Verhinderung der nachteiligen Konvektionsverluste und eine
Füllung aus schlecht wärmeleitenden Gasen anzuwenden, liegt vor allem in der Vakuumbeständigkeit
des gasdichten Kollektorbehälters. Da es praktisch unmöglich ist, Leckverluste infolge
der Gasdurchlässigkeit, besonders für Helium durch die Deckscheibe und an den Durchführungen
und Dichtungen ganz YU vermeiden, hängt der Zeitraum, in dem der Kammerdruck einen
bestimmten Maximaldruck, von z.B. 0,2 b, nicht überschreitet, bei vorgegebener Beckrate
(in Torr-Liter pro Sekunde) vom tolerierbaren Maximaldruck und vom Behältervolumen
direkt proportional ab. Das bedeutet, daß im Vergleich zum Hochvakuumkollektor,
dessen Volumen um den Faktor 3 bis 5 kleiner als der im vorliegenden Fall sein wird,
die Zeit bis zum Erreichen eines nicht mehr tolerierbaren Eammerdrucks bei der vorliegenden
Erfindung mindestens um den Faktor 1000 größer sein wird.