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Verlustarmer Sonnenkollektor
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mit Wärmerohr und Wärmespeicher =========================== Die Erfindung
betrifft einen verlustarmen Sonnenkollektor für hohe Ausgangstemperaturen, in Verbindung
mit einem Wärmerohr und Wärmespeicher, insbesondere zur Beheizung und Warmwasserversorgung
von Wohnanlagen und/ oder zum Betrieb von Wärmekraftmaschinen.
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Zum Erreichen eines hohen Fassungsvermögens mit relativ kleinen Wärmespeichern
und Erreichen eines hohen Wirkungsgrades beim Betrieb von Wärmekraftmaschinen ist
es erforderlich, daß die mit einem Sonnenkollektor eingefangene Wärmeenergie möglichst
bei hoher Temperatur gespeichert werden kann.
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Es ist bekannt zur Erfüllung dieser Erfordernisse Sonnenkollektoren
mit möglichst geringen Rückstrahlverlusten unter anderem derart auszuführen, indem
man zwei Glasrohre mit unterschiedlichen Durchmessern ineinander anordnet und den
Zwischenraum entweder luftleer macht oder mit einem Isoliergas, z. B. mit Xenon
oder Kripton, auffüllt. Das Innenrohr derartiger Sonnenkollektoren stellt das Absorberrohr
dar und ist entsprechend an der Innenseite mit einem schwarzen Anstrich (schwarzer
Strahler) versehen, der die absorbierte Sonnenstrahlung unmittelbar an einen das
Innenrohr durchfließenden Wärmeträger abgibt und nach außen abführt. Solche, nach
diesem Prinzip (nach Abb.2) aufgebaute Sonnenkollektoren können zwar die Wärmeverluste,
die durch Wärmeleitung entstehen, weitgehend unterbinden, aber nicht diejenigen,
die durch Wärmestrahlung von der inneren Glasrohrobertläche über die Vakuumwand
und das äußere Glasrohr nach außen abgegeben werden.
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Da diese Strahlverluste mit der 4. Potenz der absoluten Temperatur
und bei einer relativ hohen Strahikonstante (flir Glas Cs ; 4,5 kcal/m2hK4) nach
außen abgestrahlt werden, ißt es nicht möglich besonders hohe Ausgantatemperaturon
am ibsorbermaterial und somit am Wärme transportmittel zu erreichen. Wie sich it
den Strahlungssätzen beweisen läßt und auch aus der Praxis her bekannt ist, liegen
die erreichbaren Temperaturwerte um etwa 1000C herum (bei einer gegebenen Solarkonstante
auf dem Erdboden von 1,4 cal/ca2min und einer Strahikonutante des Kollektors von
etwa 4 kcal/hm2K4)0
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neben
der durch Wärmeleitung entstehenden Wärmeverluste auch diejenigen der Wärmestrahlung
möglichst weitgehend zu unterbinden, um somit die Temperatur im Kollektormaterial
möglichst hoch zu treiben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Kollektormaterial
mit möglichst kleiner Strahlkonstante für ihre Eigenstrahlung (Infrarotstrahlung)
verwendet wird, das aber dennoch ein hohes Absorptionsvermögen für die von außen
ankommende Sonnenstrahlung aufweist.
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Nun ist es eine allgemein bekannte Tatsache, daß das Absorptionsvermögen
eines Körpers gleich seinem Emissionsvermögen ist. Dies trifft zwar auch für das
verwendete Kollektormaterial zu, aber das Absorptionsvermögen des hier vorliegenden
Sonnenkollektors wird durch seine Formgebung bestimmt, indem die ankommende Sonnenstrahlung
durch vielmalige Reflektionen an der "spiegelnden" Kollektoroberfläche nahezu vollständig
absorbiert wird, so daß sein Absorptionsvermögen größer wird als sein Emissionsvermögen
wodurch eine höhere Energieanreicherung stattfinden kann als bei den bisherigen
AusfUhrungen von Sonnenkollektoren.
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Für die Abstrahlverluste aus dem Kollektorsystem heraus ist, wie bei
den bisherigen Ausführungen, auch nur die Einstrahlfläche maßgebend++ Der durch
die größere Strahl fläche verursachte höhere Emissionsanteil bleibt dem System erhalten,
weil er an den eigenen Strahlflächen, also an sich selbst, reflektiert und dabei
absorbiert wird.
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Wegen den geringen Rttckstrahlverlusten, die nur etwa 1/20 der bisherigen
Kollektoren betragen, kann die Temperatur am Kollektor bei gleichen effekt.
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Strahlleistungen statt auf bisher 1000C Jetzt auf etwa 5000C ansteigen,
wie sich mit den StrahlungasStzen nachweisen läßt und an einem Beispiel gezeigt
ist.
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+) Auch an einem Haufen blanker Kugeln oder blanker Späne ist die
absorbierte Strahlungsenergie (gebundene Energie) größer als an einem Gebilde mit
gleichem Volumen bei kleinstmöglicher Oberfläche, Wenn also ein Teil der Kugeln
oder Späne vom Haufen entfernt wird, dann verschwindet auch ein Teil der gebundenen
Energie -bezw. Bindungsenergie in Form von Strahlung Wir haben hier also ein zum
Atomkern analoges System vor uns.
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++) Bei einem kugelförmigen Gebilde ist die Kugeloberfläche fUr die
Zu-und Abstrahlleietung maßgebend.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Abb.1 das Prinzip, auf dem die
Erfindung beruht, Abb.2 eine bisherige AusfUhrungsform eines Sonnenkollektors (zum
Vergleich) und Abb.3.1-3.6 eine technische Ausftihrungsmöglichkeit des Sonnenkollektors
gemäß der Erfindung, in Verbindung mit einem Wärmerohr und einem Wärmespeicher.
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Beschreibungen Der Sonnenkollektor besteht gemäß Abb.l im Prinzip
aus mehreren ineinander angeordneten, kegelförmigen Kollektorflächen, die um eine
gemeinsame Achse, der Kegelachse, symmetrisch angeordnet sind. Je nach der Größe
der einzufangenden Strahlungsenergie sind die Öffnungswinkel und die Längen der
Kegelmantelflächen zu bemessen. Für die Anzahl der Kegelmantel flächen (in der Prinzipskizze
sind zwei solche dargestellt) ist der jeweils zuläßige Differenzwinkel? maßgebend,
der möglichst klein, höchsten etwa 30 Winkelgrade betragen soll. Die Kollektorflächen
können auch nahezu parallel verlaufen und dabei relativ kurz bemessen sein. Die
Kegelmantelflächen bezw, das Kollektormaterial weist, nach Voraussetzung, eine kleine
Strahlungskonstante (Stefan-Zahl) auf. Es ist also ein Metall mit möglichst weißer,
polierter Oberfläche zu verwenden wie z. B. harte Aluminiumlegierungen (Aludur)
oder andere, gut wärmeleitende, nichtrostende Metallbleche, Solche spiegelnden Metalle
haben Strahlungskonstanten im Bereich von etwa C5 = 0,1 bis 0,35 kcal/m2hK4. Die
Metalle Silber, Kupfer oder Platin haben zwar auch Strahlungskonstanten in dieser
Größenordnung, scheiden aber wegen des hohen Preises aus.
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Gemäß der Prinzipskizze (Abb.l) treffen, Je nach Sonnenstand, die
Strahlen S1 bis S3 in verschiedenen Winkeln auf die Kollektoroberfläche. Diese werden
dort, gemäß den Reflektionsgesetzen: Einfallswinkel a = Ausfallswinkel , zwischen
den spitzwinklig angeordneten Kollektorflächen viele Male reflektiert. Dabei erleiden
sie bei jeder Reflektion - je nach dem Grade ihrer Absorption - eine entsprechende
Schwächung: qa1 + 9a2 + qa) + qa4 + ...... = Q, bis sie nach einer gewissen Anzahl
von Reflektionen zu Null oder nahe zu Null absorbiert worden sind. Je kleiner die
Winkel zwischen den Kollektorflächen-und/oder Länger diese ausgeflihrt sind, desto
mehr Reflektionen können stattfinden, bis sich die Strahlen - auf einen praktisch
unbedeutenden Restbetrag abgeschwächt - wieder aus den Kollektorflächen herausfinden
besw. herausreflektiert werden.
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Bei einer angenommenen Absorption der eingestrahlten Energie von 5
pro Reflektion sind nach n = 45 Reflektionen schon 90 % und bei 100 Reflektionen
schon nahezu die gesamte Energie von der spiegelnden Kollektorfläche absorbiert
worden [Q = 1 - 0,95 n9.
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Unter der Annahme, daß auf diese Weise die gesamte einfallende Sonnenstrahlung
Q5 vom Kollektor absorbiert wurde und andererseits der Kollektor Infrarotstrahlung
Qvk emittiert, die eine Verluststrahlung darstellt, ergibt sich die effektiv vom
Kollektor absorbierte Wärmeleistung pro m2 Strahlfläche:
Hierin bedeuten: Qak = vom Kollektor effektiv absorbierte Strahlleistung pro m2
in kcal/hm' Qs = vom Kollektor insges. absorb. Sonnenleistung pro m2 in kcal/hm2
Qvk = vom Kollektor abgstrahlte Infrarotstrahlungsleistung pro m bezw. Verluststrahlungsleistung
in kcal/hm2 T k = absolute Temperatur am (blanken) Kollektor in Grad Kelvin LK]
Ck = Strahlungskonstante (oder Stefan-Zahl) der Kollektorfläche in kcal/m²hK4 A
= Strahlfläche (Einstrahl- und Emissionsfläche) in m² Da die Strahlkonstante Ck
in Gleichung 2 für den rückstrahlungsarmen Kollektor nur etwa Ck/Ck = 1/20 (=0,2/4)
des bisher verwendeten Kollektors beträgt, ist es verständlich, daß die Temperatur
höher ansteigen muß, da die Verlustleistung Qvk bei gleicher Temperatur Tk in diesem
Falle nur 1/20 des bisherigen beträgt.
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Die Erwärmung des Kollektors läßt sich berechnen mit Gleichung 3.
Es ist: eff. absorbierte Wärmeleistung Qak x Zeit - Masse x Erwärmung x spez. Wärmt
bezw. in Formelzeichen: Qak ' = m .dcQ . c Durch Umstellung nachergibt sich:
(Qak in kcal/h, t in h, m in kg, c in kcal/kg°C)
Beispiel 1 Es sind
bei einer Kollektortemperatur von 100 OC = 373 K und einer (realen) Solarkonstante
von 1,44 cal/cm2min = 860 kcal/m2h = 1 kW/m2 die am Kollektor effektiv absorbierte
Strahlleistung pro m2 Strahlfläche für die alte (a) und neue (b) Ausführung zu bestimmen.
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Mit dem Stefan-Bolzmannschen Strahlungsgesetz ergibt sich mit Gl.
2
Die Verluste sind also um den Faktor 776/38,8 = 20 gesunken, so daß bei 1000C Arbeitsmitteltemperatur
von der eingestrahlten Sonnenleistung von 860 kcal/hm2 (=lkW/m2) jetzt 820 kcal/hm2
(=0,95 kW/m2) ausgenutzt werden können, statt bisher nur 84 kcal/hm2 (= 0,1 kW/m2).
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Beispiel 2 Wie hoch kann nach Beispiel 1 im Falle b) die Temperatur
ansteigen, bei der die gleiche Leistung wie im Falle a) vom Kollektor noch effektiv
aufgenommen werden kann ? Tk 4 Es ist Qvk = Ck (100 ) Nach Tk aufgelöst ergibt
Mit dem neuen Kollektor kann also die Temperatur statt bisher auf 100 jetzt bis
auf 516 OC ansteigen, bei der die gleiche Leistung (Qak = 84 kcal/h) noch vom Kollektor
effektiv aufgenommen werden kann wie bei der bisherigen AußfUhrung, Die am Kollektor
vorhandene Temperatur kann ohne großen Temperaturabfall und ohne großen Aufwand
einem Wärmespeicher nur dann zugefUhrt werden, wenn man den Wärmetransportweg möglichst
kurz macht und eine hochwertige Wärmeisolierung vorsieht. In Abb.3.1 ist eine mögliche
technische Ausführung gezeigt, wobei für den Wärmetransport ein bekanntes Wärmerohr
verwendet ist; das die am Sonnenkollektor eingefangene Wärme einem Wärmespeicher
zuführt.
Die äußerste Kollektorwand, das Wärmerohr und das Wärmespeichermaterial sind gegen
Wärmeverluste gut isoliert. Sie sind, wie in Abb.3.1 gezeigt ist, mit einer Vakuumwand
umgeben, in dessen Ringspalt Metallfolien eingelegt sind, die Wärmestrahlen stark
reflektieren. Um die Wärme dem Speicher wieder entnehmen zu können, kann das Speichermaterial
mit einem Arbeitsgas umspült werden, das mittels einer Umwälzpumpe UP1 über einen
Wärmetauscher WT geführt ist und die Wärme an einen Verbraucher weitergibt. Statt
der Umwälzpumpe UP1 kann bei hohen Temperaturen zweckmäßigerweise eine t'berührungslose"
elektromagnetische Pumpe, z. 13. eine HF-Pumpe, verwendet werden (Abb.3.2). In diesem
Falle ist das Arbeitsgas (Wasserstoff oder Helium) mit einem leicht ionisierbaren
Stoff, beispielsweise mit Cäsium (-dampf) zu impfen. Durch Variieren der Umlaufgeschwindigkeit
des Arbeitsgases kann die Wärme dosiert dem Wärmetauscher und damit dem Verbraucher
zugeführt werden.
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Statt der in Abb.3.1 gezeigten, nahezu halbkugelförmigen Bauweise
für den Kollektor, kann auch eine vollständig kugelförmige Ausführung verwendet
werden, insbesondere wenn zusätzlich ein Parabolspiegel auf der Unterseite angeordnet
ist, der die Strahlung auch in die untere Halbkugel des Kollektors reflektiert (Abb.3.3).
Um den Absorptionsgrad am Kollektor bei verschiedenen Einstrahlwinkeln (Sonnenstände)
noch zu verbessern, kann statt der kegelmantelförmigen Bauweise auch eine pyramidenförmige
mit quadratischer oder sechseckiger (wabenförmiger) Grundfläche verwendet werden.
Viele solche Absorberelemente können zu einer Kugel, Halbkugel (Abb.3.4) oder ebenen
(Abb.3.5) Fläche zusammengesetzt sein. Die Absorberelemente bei der ebenen Ausführung
können auf der RUckseite entweder Massiv oder Hohl beschaffen sein (Abb.3.5).
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Ein mit großem Raumwinkel der Sonnenstrahlung zugänglichen Kollektor
könnte auch aus einem dicht bewickelten, engmaschigen Drahtnetz bestehen, dessen
Material gut wärmeleitend und seine Oberfläche glänzend bezw. reflektierend ist
(Abb.3.6).Ein zusätzlich angebr. 900-Spiegel erhöht die Intensität.
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L e e r s e i t e