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Verfahren zum Sammeln und langfristigen Speichern der
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Sonnenenergie Im Zusammenhang mit der: befürchteten Energiernangel
bzw. Verteuerung der Energierohstoffe werden heute mit beachtlichem Aufwand Sammler
für Sonnenenergie entwickelt, die allerdings in höheren Breiten nicht zur Heizung
eingesetzt werden können. Die heute bekannten Entwicklungen erzeugen meist warmes
Wasser im Sonr.ier, dessen Wärmeinhalt jedoch nicht sinnvoll genutzt werden kann.
Die hierfür nötige Speicherung von wärme über Monate als Voraussetzung sinnvoller
lJutzung in unserer geografischen Breite schien auf absehbare Zeit technisch und
wirtschaftlich nicht zufriedenstellend realisierbar ("Bandelsblatt" vom 26O177,
"Energie sparen im Ilaus mit Sonnenwarme" von B. Dietrich; 1,Techn. Rundschau Sulzer"
58, Nr. 4 (1976), Seiten 151 bis 153, "}weizen mit Sonnenenergie" von M. Caratsch,
besonders Seiten 156 und 157).
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Erste Vorschläge zur Lösung des Problems zur langfristigen Speicherung
von Wärme sind die polar ponds ("Chemtech" (Okt 1975), 608 bis 616). Bei diesem
bekannten Verfahren wird durch Überschichtung von Wasser, das durch Einfangen von
Sonnenlicht erwärmt worden ist, mit einer Salzlösung, das erwärmte Wasser vor Wärmeverlust
geschützt. Dabei werden die beiden Phasen durch eine lichtdurchlassige Folie getrennt.
Hierbei entstehen jedoch Probleme bei der Aufrechterhaltung des Konzentrationsprofils
der Salzlösung durch Diffusion. Um dieses Profil aufrechtzuerhalten, muß laufend
konz. Salzlösung zugeführt und verdünnte Salzlösung verworfen bzw. aufkonzentriert
werden. Dies sind Operationen mit Umweltbelastung und Energieverbrauch Es wurde
nun gefunden, daß man Sonnenenergie nicht nur sammeln, sondern auch in einfacher
Weise langfristig in Wasser in zwei getrennten und übereinander angeordneten Phasen
speichern kann, wenn man die Sonnenstrahlung am Boden oder in der unteren Phase
durch Absorption aufgefangen, das Wasser aufgeheizt wird und wobei die untere Wasserphase
von der oberen durch eine lichtdurchlässige Folie oder Platte getrennt ist und die
obere Wasserphase
durch natürliche oder synthetische Polymere verdickt
wird um die untere Wasserschicht nach oben hin lichtdurchlässig thermisch zu isolieren
Die Absorption in der unteren Wasserschicht kann in einfacher Weise durch eine schwarze
Folie am Boden der unteren Schicht und/ oder durch entsprechendes Einfärben des
Wassers mit geeigneten Farbstoffen erfolgen, die im günstigen Spektralbereich absorbieren.
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Besonders geeignet sind Farbstoffe die im Spektralbereich von 4 000
i bis 9 000 R absorbieren.
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Die wäßrige Phase wird oberhalb der konvektiven Zone durch eine lichtdurchlässige
Folie oder Platte mit einem Verdickungsmittel von der darüber befindlichen Wasserphase
getrennt, so daß eine Konvektion in die isolierende Phase durch die stark erhöhte
Viskosität derselben verhindert wird. Diese Phase kann man auch zur Sauberhaltung
mit einer weiteren lichtdurchlässigen Folie gegen die Atmosphäre hin schützen. Die
Oberseite dieser Folie oder Platte kann mit Wasser bzw. Regen gespült werden.
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Als Verdickungsmittel für die obere isolierende Wasserphase können
auch natürliche Polymere, z.B. Pektine, Agar-Agar, Gummiarabicum, Gelatine uswO,
dienen. Man kann diese durch Zusatz von bioziden Stoffen wie Pentachlorphenol oder
Kupfersalze vor biologischem Abbau schützen. Vorteilhaft verwendet man aber synthetische
wasserlösliche Polymere, wie z.B. hochmolekulares Polyäthylenoxid oder neutralisierte
Polyacrylsäure oder andere geeignete Polymere. Durch diese Stoffe kann man schon
in Konzentrationen von etwas mehr als 1.000 ppm Wasser in einen galert-oder geleartigen
Zustand überführen. Besonders geeignet ist das Ammoniumsalz von Polyacrylsäure.
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Beispiel Eine praktische und besonders einfache Ausführungsform besteht
darin, daß man z.B. eine Grube von 10 x 10 m und 6 m Tiefe aushebt, mit einer handelsüblichen
Kunststoffolie, z.B. polyesterverstärktes schwarzes PVC, auskleidet und dann 500
m3 Leitungswasser einfüllt. Dieser Teich wird jetzt mit einer Zu- und Ableitung
versehen und durch Einschweißen einer transparenten Kunststoffolie abgedeckt. Darüber
werden dann 100 m3 einer vorgefertigten Lösung von 0,3 Gew.% Polyacrylsäure sehr
hohen Molekulargewichts, die mit 0,3 Gew.% 25 %-iger wäßriger NH3-Lösung versetzt
wurde, geschichtet.
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Die mögliche Energiegewinnung und Speicherung soll folgende Rechnung
auf zeigen: Bei 1 800 Sonnenstunden/Jahr, wie dies für Südwestdeutschland gilt,
wird z.B. nach M. Caratsch (Techn. Rundschau Sulzer" 58, Nr. 4 (1976), Seiten 151
bis 157) für Zürich eine Einstrahlung von 1 312,8 kWh/m2. Jahr (Tabelle Seite 152)
angegeben. Das entspricht einem Heizwert von n,l 106 kcal oder von 100 1 leichtem
Heizöl bei einem Feuerungswirkungsgrad von 80 %.
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Nimmt man an, daß dabei Wasser von 40 auf 1000C erwärmt wird, so sind
dazu 16,6 m3 Wasser notwendig, um die im Jahr einfallende Energie zu speichern.
Wie man aus der oben angeführten Tabelle leicht entnehmen kann, werden selbst in
den Wintermonaten noch beachtliche Energien eingestrahlt, so daß man die Wassermenge
z.B.
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auf 10 m 3/m2 bestrahlte Fläche begrenzen kann. Eine Fläche von 100
m2.wird so die Energiemenge, die dem Heizwert von 10 000 1 leichtem Heizöl entspricht,
sammeln. Diese Energiemenge reicht leicht aus, den Heizwärme- und Warmwasserbedarf
eines Einfamilienhauses zu decken.
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Bei einer Wärmeleitfähigkeit von Wasser bei Oo C von 0,0013 cal .
cm1 1 grd1 und bei 750C von 0,0016 cal . cm-1 . 8 1 . grd-1 ergibt sich bei einer
mittleren Wärmeleitfähigkeit von 0,0015 cal . cm 1 . 8 1 . grd 1 ein Wärmeverlust
von 15 kcal/m2 Oberfläche . grd . 1 m Schichtdicke pro Tag. Bei einer Temperaturdifferenz
von max. 800C im Wintermittel
gehen damit 1 200 kcal/m2 . Tag durch
Wärmeleitung verloren. Nimmt man nun den Extremfall an, daß 150 Tage lang keine
Einstrahlung erfolgt, dauernd eine Temperaturdifferenz zwischen Warmwasser und Umgebung
von 800C existiert, so kommt es maximal zu einem Verlust von 180 000 kcal/m2, das
ist - 1/3 der gespeicherten Gesamtenergie. Hierbei sind Verluste durch Leitung ins
Erdreich nicht berücksichtigt. Gegebenenfalls wird sogar das aufgeheizte Erdreich
als zusätzlicher Speicher benutzt. Dadurch würde sich die Tiefe der Grube vermindern.
Um die Verluste ins Erdreich zu vermindern, kann auch leicht der Wassertank gegenüber
dem Erdreich thermisch isoliert werden.
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Zur Übertragung der gespeicherten Wärme ist lediglich eine Pumpe notwendig,
die das Wasser aus dem Speicher entnimmt und über Wärmetauscher zur Heizung des
Hauses umwälzt. Die Warmwasserentnahme erfolgt sehr einfach, indem warmes Wasser
aus dem Vorrat entnommen wird, während frisches kaltes Wasser dafür zugeführt wird.
Sollte aus hygienischen Gründen nur einwandfreies Wasser zur Verwendung kommen,
so ist empfehlenswert, biozides Material, wie es aus dem Kühlturnibetrieb bekannt
ist, zuzusetzen und auch das Warmwasser durch Wärmeaustausch herzustellen.
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Der Vorteil der Erfindung und entsprechender Fortschritt besteht darin,
daß durch die einfache Art der Speicherung eine Verwertung der im Sommer bei kräftiger
Einstrahlung gesammelten Energie für die Raumbeheizung im Winter mit hohem Nutzungsgrad
gerade in unseren geographischen Breiten erschlossen wird. Außerdem ist die einfache
Anordnung auch zur Energiegewinnung in Größenordnungen eines Haushaltsverbrauches
geeignet.