DE2658717A1 - Sonnenwaerme-auffangmodul - Google Patents

Sonnenwaerme-auffangmodul

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DE2658717A1
DE2658717A1 DE19762658717 DE2658717A DE2658717A1 DE 2658717 A1 DE2658717 A1 DE 2658717A1 DE 19762658717 DE19762658717 DE 19762658717 DE 2658717 A DE2658717 A DE 2658717A DE 2658717 A1 DE2658717 A1 DE 2658717A1
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    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers

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Description

  • Sonnenwärme-Auffangmodul
  • Die Erfindung betrifft ein Sonnenwärmeauffangsystem.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die folgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine auf der nördlichen Erdhalbkugel befindliche Konstruktion.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.).
  • 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.).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Für einen Öffnungswinkel von etwa 1500 bilden sich die Brennbereiche 42a, 43a kontinuierlich auf den Rohrseitenwänden 42 bzw.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (11)

  1. Patentansprüche 1. Sonnenwärmeauffangmodul zur Strahlungsabsorption von Sonne wärme, gekennzeichnet durch ein langgestrecktes Gehäuse mit einer transparenten Abdeckung, einem konkavkonvex hyperbolisch geformten Reflektor mit konkaver Reflexionsfläche, der mit aufwärts gewandter konkaver Reflexionsfläche in dessen Längsrichtung verlaufend im Gehäuse angeordnet ist, durch eine Einrichtung im Gehäuse, die die konvexe Fläche des Reflektors wärmeisoliert, und mit einem Wärmeauffangrohr mit Dreiecksquerschnitt, das in Längsrichtung innerhalb der seitlichen Umgrenzung des Bogens des Reflektors angeordnet ist, wobei-seine Basiswand aufwärts gewandt ist, eine seiner Seitenwände im wesentlichen rechtwinklig zu einer Sehne zwischen den Außenpunkten des Bogens des Reflektors liegt und er eine Länge aufweist, die im wesentlichen gleich der maximalen seitlichen Abmessung des Reflektors ist.
  2. 2. Sonnenwärmeauffangmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale seitliche Abmessung des Reflektors in einer Ebene liegt, die in Reflektorlängsrichtung und im rechten Winkel zur Sehne verläuft, wobei sie diese in einem Abstand zu einem der Bogenaußenpunkte schneidet, der etwa ein Drittel der Sehnenlänge beträgt.
  3. 3. Sonnenwärmeauffangmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gehäuse in Ostwest-Richtung anordnet und zum Norden aufwärts unter einem Winkel von nicht mehr als etwa 450 zur Waagerechten neigt, wobei der eine Außenpunkt des Bogens sich auf der oberen Reflektorseite befindet.
  4. 4. Sonnenwärmeauffangmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse sich in Ostwest-Richtung in einer im wesentlichen vertikalen Lage erstreckt und der eine Außenpunkt des Bogens sich auf der Unterseite des Reflektors befindet.
  5. 5. Sonnenwärmeauffangmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare ausgespannte Breite des Reflektors um etwa ein Drittel länger ist als die Sehnenlänge.
  6. 6. Sonnenwärmeauffangmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-t net, daß die Abdeckwand des Gehäuses und die Sehne im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen.
  7. 7. Sonnenwärmeauffangmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeauffangrohr etwa gleich breite Seitenwände und eine Grundwand aufweist, deren Breite gleich etwa einem ~~~~~~~~~ ~~~~~~~~ ~~~ ~~~~~~ ~~w Drittel der Breite einer Seitenwand ist.
  8. 8. Sonnenwärmeauffangmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ärmeauffangrohr eine Innenfläche sowie auf dieser in Längsrichtung verlaufende und einwärts vorstehende wärmestrahlende Rippen aufweist.
  9. 9. Sonnenwärmeauffangmodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeauffangrohr aus metall gefertigt ist und eine Beschichtung auf der Außenfläche des Rohrs wärmeabsorbierend wirkt.
  10. 10. Sonnenwärmeauffangmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der reflektierenden Fläche auf gegenüberliegenden Seiten des Wärmeauffangrohrs Sonnenstrahlen in einen Brennbereich reflektieren, der in Längsrichtung einer der reflektierenden Fläche zugewandten Seitenwand des Rohrs verläuft.
  11. 11. Sonnenwärmeauffangmodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennbereiche auf den Seitenwänden unter der Sonnenbewegung über den Himmel sich auf den Seitenwänden gegenläufig verschieben.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2495747A1 (fr) * 1980-12-09 1982-06-11 Barbier De Preville Christophe Appareil de chauffage solaire a air

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR2495747A1 (fr) * 1980-12-09 1982-06-11 Barbier De Preville Christophe Appareil de chauffage solaire a air

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