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Sonnenwärme-Auffangmodul
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Die Erfindung betrifft ein Sonnenwärmeauffangsystem.
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Insbesondere schafft die Erfindung ein Sonnenwärme-Auffangmodul, das
Sonnenstrahlungswärme aufnimmt und ein langgestrecktes Gehäuse mit einer transparenten
Oberwand, einen konkav-konvexen, hyperbolisch gestalteten Reflektor mit konkaver
Spiegelfläche, der in dem Gehäuse in dessen Längsrichtung verlaufend und mit aufwärts
gewandter konkaver Spiegelfläche angeordnet ist, eine Einrichtung im Gehäuse, die
die konvexe Fläche des Reflektors thermisch isoliert, und ein Wärmeauffangrohr mit
dreieckigem Querschnitt aufweist, das in Längsrichtung innerhalb der seitlichen
Umgrenzung des Reflektorbogens angeordnet ist, mit einer Seitenwand im wesentlichen
im rechten Winkel zu einer Sehne zwischen den äußersten Punkten des Reflektorbogens
liegt und dessen Länge im wesentlichen gleich der maximalen seitlichen
Abmessung
des Reflektors ist.
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Die relative Zuordnung und Konstruktion des Reflektors und des ein
Strömungsmittel führenden Rohrs im Wärmeauffangmodul nach einer Ausführungsform
der Erfindung bewirken ein extrem wirkungsvolles Auffangen der Sonnenwärme über
einen breiten Bereich des der Sonne zugewandten Offnunegswinkels, ohne Nachführeinrichtungen
zu erfordern, die den Reflektor in einer vorbestimmten Zuordnung zur Sonne halten.
Das ein Strömungsmittel führende Rohr wird fortwährend von reflektierten Sonnenstrahlen
beaufschlagt, deren Strahlungswärme sich in Brennbereichen konzentriert, die in
Längsrichtung auf jeder Seitenwandung des Rohres verlaufen. Infolge der einwärts
vorstehenden Wärmeabstrahlungsrippen im Rohr wird die von dem Rohr aufgefangene
Sonnenwärme auf wirkungsvolle Weise auf das wärmeführende Strömungsmittel im Rohr
übertragen und von diesem zu einem Raumheizungssystem oder dergleichen geführt.
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Fig. 1 ist eine Perspektivansicht eines Hauses mit einem in diesem
installierten Sonnenwärmesystem; Fig. 2 ist ein Teilseitenriß des Hauses und zeigt
eine modifizierte Anordnung eines Sonnenwärmesystems; Fig. 3 ist eine verkürzte
Perspektivdarstellung des Sonnenwärme-Auffangmoduls nach der vorliegenden Erfindung,
die einen Teil des Sonnenwärmesystems nach den Fig. 1 und 2 bildet;
Fig.
4 ist ein vergrößerter Schnitt durch das Wärmeauffangmodul auf der Linie 4-4 der
Fig. 3; Fig. 5 ist eine vergrößerte Schnittdarstellung des das Strömungsmittel führenden
Rohrs auf der Linie 5-5 der Fig. 3; Fig. 6 ist ein Wärmereflexionsdiagramm für das
Sonnenwärmemodul nach der Fig. 1; Fig. 7 ist ein Wärmereflexionsdiagramm für das
Sonnenwärmemodul nach der Fig. 2; Fig. 8 ist eine Schemadarstellung einer Sonnenwärmeeinheit,
bei der die Wärmeauffangeinheiten parallelgeschaltet sind; Fig. 9 ist eine Schemadarstellung
eines Paares von Sonnenwärmeeinheiten, bei denen die Auffangmodule in Reihe und
parallelgeschaltet sind; und Fig. 10 ist eine Schemadarstellung eines Paares von
Sonnenwärmeeinheiten, bei denen die Wärmeauffangmodule miteinander in Reihe geschaltet
sind.
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Die folgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung bezieht sich auf eine auf der nördlichen Erdhalbkugel befindliche Konstruktion.
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Die Die Fig. 1 zeigt ein Wärmeheizsystem für ein Haus 15 mit einer
Sonnenwärmeeinheit 16 auf der Südseite 17 des Dachs, die aus
einer
Vielzahl von Sonnenwärme-Auff angmoduln 18 nach der vorliegenden Erfindung besteht.
Die Moduln 18 sind in Reihe geschaltet dargestellt, wobei ein Einlaßrohr 19 und
ein Auslaßrohr 21 an einen Warmwassertank bzw. ein Wärmespeichersystem 22 angeschlossen
sind. Eine Pumpe 23 im Einlaßrohr 19 hält das Wärmeübertragungsströmungsmittel -
beispielsweise Wasser oder Gefrierschutzflüssigkeit - aus dem Tank 22 im Umlauf,
so daß es die Moduln 18 wiederholt durchläuft und über das Auslaßrohr 21 zum Tank
zurückkehrt. Der Tank speichert die aufgefangene Energie zur Nutzung in einer Hausheizungsanlage
(nicht zeigt während der Nacht bzw. bei bedecktem Himmel. Für eine Wärmeeinheit
lassen sich beliebig viele Auffangmoduln parallel, in Reihe oder parallel und in
Reihe schalten, um einen erwünschten Heizungazustand zu erreichen.
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Jedes Auffangmodul 18 (Fig. 3 und 4) weist ein Gehäuse 24 in Form
eines länglichen Kastens mit den Seitenwänden 26, den Wänden 27 sowie dem Boden
28 aus Metall oder Glasfasermaterial sowie eine transparente Abdeckung 29 auf. Die
Abdeckung ist als Doppelfenster ausgeführt und weist eine obere Scheibe 31 aus Tedlar,
einer Polyvinylfluorid-Folie der Firma DuPont mit einer Dicke von etwa 0,1 mm (4
mils), parallel beabstandet zu einer transparenten unteren Scheibe 32 aus Glasfasermaterial
in einer Dicke von etwa 1 mm (0,04 in.) auf; letzteres Material ist unter der Bezeichnung
"Sun-Lite" bekannt und von der Firma Kalwall Corporation, Manchester, New Hampshire
erhältlich.
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Tedlar ist für seine Witterungsbeständigkeit bekannt, und überträgt
selektiv
nur kurzwelligeres Licht, während es für langwelliges Infrarot opak ist. Die Abdeckung
29 verhindert damit eine Rückstrahlung der Sonnenstrahlung in die Atmosphäre.
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Im Gehäuse 24 ist in Längsrichtung desselben ein Reflektor 33 mit
im Querschnitt konkavkonvexer Gestalt gelagert, wobei die konkave Fläche 34 der
Abdeckung 29 zugewandt ist. Der Reflektor 33 kann aus reflektierend gemachtem Aluminiumblech
oder nichtrostendem Stahl gefertigt sein und hat eine Krümmung, die allgemein der
Gestalt eines Abschnitts einer hyperbolischen Spirale folgt. Die untere Scheibe
32 liegt ein der Ebene einer Sehne zwischen den äußersten Enden des vom Reflektor
aufgespannten Bogens. Wie die Fig. 4 zeigt, tritt also die maximale seitliche Dimension
bzw. Tiefe D des Reflektors 33 in einer zur Sehne rechtwinkligen Ebene auf und liegt
vom Bogenaußenpunkt 36 in einer Entfernung einwärts, die etwa gleich einem Drittel
der Sehnenlänge ist, wie mit dem Buchstaben L gezeigt.
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Die Gestalt des Bogens wird von dessen lagerung auf querverlaufenden
Formhaltungselementen 37 aufrechterhalten, die in Gehäuse 24 in Längsrichtung beabstandet
angeordnet sind. Eine geeignete Wärmeisolierung ist in den Raum zwischen die Bormhaltungselement
eingefüllt, um die konvexe bzw. untere Fläche des Reflektors 33 gegen Wärmeleitung
bzw. -strahlung zu den Seiten- und der Bodenfläche des Gehäuses abzuschirmen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Gehäuse 24 etwa 178
mm (7 in.) hoch, 508 mm (20 in.) breit und etwa 2,F4 m (8 ft.) lang. Der-Reflektor
33 hat abgewickelt eine Rechteckgestalt von etwa 0,61 m x 2,44 m (2 x 8 ft.) und
eine Sehnenlänge C (Fig. 4) zwischen den Außenpunkten des Reflektorbogens von etwa
483 mm. (19 in.). Die Scheiben 31, 32 der Abdeckung 29 sind rechteckig und haben
einen Abstand von etwa 13 mm (1/2 in.).
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In dieser Ausführungsform beträgt die maximale Tiefe bzw. Seitenabmessung
D etwa 159 mm (6-1/4 in.), während die Entfernung L vom Außenpunkt 36 des Bogens
etwa 152 mm (6 in.) beträgt. In einer Entfernung von etwa 76 mm (3 in.) vom Außenpunkt
36 beträgt die seitliche iefe des Reflektors etwa 133 mm (5-1/4 im Abstand von etwa
254 mm (10 in.) und 356 mm (14 in.) vom Außenpunkt 36 des Bogens ist die seitliche
Tiefe des Bogens etwa 140 mm (5-1/2 in.) bzw. 92 mm (3-5/8 in.).
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Innerhalb des Reflektors 33 ist in Längsrichtung desselben ein ein
Strömungsmittel führendes bzw. Wärme auffangendes Rohr 39 mit langgestreckt dreieckigem
Querschnitt (Fig. 4 und 5) mit einer Basisseite bzw. Oberwandung 41 und im wesentlichen
gleichlangen Seitenänden 42, 43 angeordnet. In der obengenannten Ausführungsform
der Erfindung ist die Basiswand etwa 51 mm (2 in.) breit und sind die Seitenwände
42, 43 etwa 152 mm (6 in.) breit.
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Das Auffangrohr 39 ist mit der Basiswand 41 von der Gehäuseabdeckung
29 beabstandet angeordnet, während die Seitenwand 42 an der und im wesentlichen
parallel zur Ebene der maximalen
seitlichen Tiefe D des Reflektorbogens
liegt. Das Auffangrohr ist aus Aluminium hergestellt und durch Auspressen mit beabstandeten
warmeabstrahlenden Rippen 44 versehen, die in Längsrichtung des Rohrs verlaufen
und von der Innenfläche der Rohrwandungen 41, 42, 43 einwärts vorstehen. Die Außenfläche
des Rohrs 39 ist mit einer schwarzfarbigen, wärmeabsorbierenden Beschichtung bzw.
einem solchen Anstrich versehen (Vergl. 45 in Fig. 5) - beispielsweise aus Nextel
der Firma 3M Company, Minneapolis, Minnesota. Dieses Nextel-haterial absorbiert
etwa 98 % der auf es gerichteten oder reflektierten Wärme. Ggff. kann auch eine
selektive Beschichtung für das Wärmeauffangrohr 39 verwendet werden.
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In dem in Fig. 1 gezeigten Sonnenheizsystem für eine Hausinstallation
ist das Dach mit einem Gefälle von etwa 300 und die; Einheit 16 aus vier der Auffangmoduln
18 bestehend dargestellt.
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Diese Moduln sind in Reihe geschaltet und verlaufen in Längsrichtung
ostwestlich auf der Südseite des Dachs 17 des Hauses wobei der Außenpunkt 36 des
Reflektorbogens oben liegt. Das Wärmereflexionsdiagramm dieser Anordnung ist in
der Fig. 6 für Sonnenhöhen von 100, 400 und 600 über dem Horizont angegeben.
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Bei einer Sonnenhöhe von 100 und mit direkten Sonnenstrahlen 46 und
reflektierten Strahlen 47 ergibt sich, daß die reflektierten Strahlen 47 sich in
einem Brennbereich 34a konzentrieren, der in Längsrichtung über die gesamte Länge
der Wand 43 des Auffangrohrs an dessen unterem Ende verläuft. Dieser Brennbereich
43a ist in der oben erwähnten Ausführungsform der Erfindung
etwa
13 mm (1/2 in.) breit und nimmt reflektierte Wärmestrahlung auf. Gleichzeitig entsteht
am oberen Ende der Wandung 42 ein Brennbereich 42a. Diese Konzentration aufgefangener
Sonnenwärme an gegenüberliegenden Enden des Auffangrohrs 39 wird mittels der wärme
strahlenden Rippen 44 schnell und wirkungsvoll auf das wärmeleitende Strömungsmittel
im Rohr übertragen.
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Während des Ansteigens der Sonne von 100 auf 400 verschiebt die Brennzone
43a sich allmählich auf der Rohrwandung 43 nach oben, während gleichzeitig der Brennbereich
42a auf der Seitenwandung 42 (Fig. 6) nach unten läuft, so daß die erwärmten Bereiche
42a, 43a sich nun zwischen den Enden des Auffangrohrs befinden. Bei weiterem Ansteigen
der Sonne von 400 auf 60° Höhe läuft der Brennbereich 43a allmählich bis zum oberen
Ende der Rohrwandung 43, während gleichzeitig der Brennbereich 42a zum unteren Ende
der Rohrwandung 42 gleitet.
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0 Bei 60 Sonnenhöhe befinden die Brennbereiche 42a, 43a sich also
relativ zu den Lagen bei 100 Sonnenhöhe in diagonal entr gegengesetzter Lage auf
dem Rohr 39. Bei einem Sonnendurchlauf von 100 bis 600 Höhe durchlaufen also die
Brennbereiche 42a, 43a die Seitenwände 42 bzw. 43 des Auffangrohrs 39 in ihrer vollen
Breite.
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Für einen Öffnungswinkel von etwa 1500 bilden sich die Brennbereiche
42a, 43a kontinuierlich auf den Rohrseitenwänden 42 bzw.
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43 aus. Diese kontinuierliche Konzentration der Sonnenwärmestrahlung
auf
dem Auffangrohr 39 erfolgt bei einer festen Ausrichtung der Moduln 18 relativ zur
Sonnenbewegung über den Himmel. Es ist also nicht mehr erforderlich, eine Nachführeinrichtung
vorzusehen, die eine vorbestimmte Orientierung einer Auffangeinheit zur Sonne aufrechterhält.
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In dem Sonnenheizsystem für die Hausinstallation nach Fig. 2 sind
die Moduln 18 (vier für eine Sonnenheizeinheit 16A) in Längsrichtung ostwestlich
starr an der vertikalen Südwand 48 des Hauses 15 angebracht, wobei die Außenpunkte
36 des Bogens nach unten weisen. bie Wärmereflexionskagramme der Fig. 7 zeigen für
die Anordnung in Fig. 2, daß die direkten und reflektierten Sonnenstrahlen 46 bzw.
47 für ein Überstreichen der Rohrseitenwände 42 bzw. 43 durch die Brennbereiche
42a, 43a sorgen, wie es oben für die Fig. 6 beschrieben wurde.
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Die Fig. 8 zeigt den Anschluß der Moduln 18 in Parallelschaltung in
einer Wärmeeinheit 16B, wobei die Auffangrohre 39 an eine gemeinsame Einlaßkopfleitung
49 und die Auslaßenden an eine gemeinsame Einlaßkopfleitung 51 angeschlossen sind.
Bei dieser Anlage ergibt sich eine mäßige bzw. warme Temperatur des Strömungsmittels
im Auslaßrohr 21.
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Soll das Wasser vorgewärmt werden, um eine höhere Auslaßtemperatur
zu erreichen, als mit einer Parallelschaltung nach Fig. 8 erreichbar ist, lassen
die Moduln 18 sich zu einer Parallel-Reihen-Anordnung verschalten, wie sie in Fig.
9 gezeigt ist,
wobei die Moduln 18 in der Wärmeeinheit 16C parallel
und die Moduln in der Wärmeeinheit 16D in Reihe geschaltet sind. Das aus dem Tank
22 der Einlaßleitung 52 für die Einheit 16C zugeführte Wasser wird vorgewärmt, bevor
es aus der Auslaßleitung 53 zum Einlaß 54 der in Reihe geschalteten Moduln in der
Wärme ein heit 16D fließt. Die Temperatur des Strömungsmittels am Auslaß 56 der
Einheit 16D ist also höher als die Temperatur in der Leitung 51 der Anordnung der
Fig. 8, da infolge der Parallelschaltung der Moduln 18 in der Wärmeeinheit 16C ein
Vorwärmeffekt auftritt.
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Soll Wasser mit einer hohen Temperatur erzeugt werden, kann man die
Moduln 18 in einem Paar 16E, 16F in Reihe schalten, wie es die Fig. 10 zeigt. In
dieser Anordnung sind die Wärmeeinheiten 16E, 16F mit einem Einlaß 57 an die Einlaßleitung
19 von der Pumpe 23 und mit einem Auslaß 58 an das Auslaßrohr 21 zum Wasser speichertank
22 angeschlossen.
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Soll ein Sonnenwärme-Auffanggerät zum Erwärmen von Luft eingesetzt
werden, mit der man ein Haus, eine Getreidetrocknungsanlag oder dergleichen beheizen
will, ist es nur erforderlich, die Größe des Auffangrohrs 39 und des Reflektors
33 eines Moduls 18 zu vergrößern, damit sich im Rohr 39 eine Luftströmung mit geringem
Druck ergibt. In diesem Fall würde man anstelle des Tanks 22 ein Warmluft-Wärmeabsorptionssystem
vorsehen.