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Einrichtung zur Sonnenwäreausnutzung
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mit Flachkollektoren Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Sonnenwärmeausnutzung
mit einer Mehrzahl auf einer Tragfläche angeordneter Flachkollektoren zum Auffangen,
Auf nehmen und Übertragen des Sonnenwärmestromes auf wärmeaufnehmende Mittel wie
Wasser.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Sonnenwärmestrom,
bezogen auf eine unaufgeteilte Vergleichsfläche, etwa auf eine in Einstrahlungsrichtung
geneigte, wärmetauschertragende Dachfläche mit einer letzterer eigenen, bestimmten
Bodenprojektionsfläche, in Wärmestromeinzelbündel aufgeteilt und mit Übertragung
der diesen Bündeln innewohnenden Sonnenwärmestromanteilen auf im Verhältnis zur
Vergleichafläche wesentlich kleinere, der Gesamtheit ihrer Bodenprojektionseinzelflächen
nach jedoch wieder wenigstens angenähert mit der Bodenprojektionsfläche der Vergleichsfläche
übereinstimmende, im Verhaltnis zueinander gesonderte Aufnahmeeinzelflächen mit
einzeln einstellbarer, anschließend auf Dauer feststellbarer Neigung, unter Ausschluß
gegenseitiger Beschattung mittels Verwirklichung von Mindestabständen und maximalen
Raritegrenzungslängen ihrer Einzelflächen, zu wesentlich größeren Vorteilen führen
als der bisher benutzte Weg, die Vergleichsfläche selbst im wesentlichen als wäraeauffangende,
-aufnehmende und -übertragende Fläche auszubilden.
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Ausgehend von dieser Erkenntnis, kennzeichnet sich eine erfindungsgeiäß
vorgeschlagene Einrichtung zur Sonnenrmeausnutzung mit einer Mehrzahl auf einer
Tragfläche angeordneter Flachkollektoren zum Auffangen, Aufnehmen und Übertragung
des Sonnenwärmestromes auf wärmeaufnehmende Mittel wie Wasser dadurch, daß ein Flachkollektor
einen
Wärmeaustauscher in Form und Ausbildung eines als dUnnwandiger,
ausgesteitter, rahmenloser und selbsttragender Kõrper mit lamellarem Hohlraum zur
DurchfUhrung des wärmeaufnehmenden Mittels aufweist, dessen Neigungswinkel zur Tragfläche
wãhl-, ein- und wenigstens kraftschlüssig jeweils festlegbar ist, und daß die Flachkollektoren
über die zugehörige Tragfläche als im Verhältnis zu ihrer Länge schmale, verschwenkbare
Rippen, vorzugsweise in zueinander parallelen Reihen, verteilt sind.
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Eine derartige Einrichtung beseitigt erstmalig die auf dem Gebiete
der Sonnenkollektoren vorhandenen, großen Nachteile bekannter Einrichtungen, die
zunächst darin bestehen, daß die Anlagen deshalb zu kostspielig sind, weil sie Einzelstücke
sind. Zwar hat man bereits versucht, die Kollektoren als extrudierte Kunstharzeinheiten
auszubilden, aber dadurch, daß diesen Einheiten praktisch die Größe einer geneigten
Dachfläche erteilt wurde, war es unmöglich, die Vorteile zu verwirklichen, die erfindungsgemäß
dadurch erreicht werden, daß die schmalen und langen Rippen auf Jeder Dachfläche
ohne deren bauliche Umgestaltung untergebracht werden können, ganz abgesehen davon,
daß es unterlassen wurde, diesen extrudierten Kunstharzeinheiten eine einstellbare
Neigung, bezogen auf die Dachflächenebene, zu geben.
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Ein weiterer Mangel der bekannten Einrichtungen bestand darin, daß
man das wärmeaufnehmende Mittel nicht in Form lamellarer Schichten, sondern zylindrisch
geschlossener Ströme zur Anwendung brachte, so daß die Sonnenwärmeübertragung auf
das wärmeaufnehmende Mittel mangelhaft war. Auch wurde es unterlassen, die Maßnahmen
zu verwirklichen, die in weiterer Durchbildung vorliegende Erfindung dadurch zu
verwirklichen sind, daß dem Wärmetauscher eines Flachkollektors im Wege des einfallenden
Sonnenwärmestromes ein Filter hoher Transmission für kurzwellige Wärmestrahlung,
insbesondere im Bereiche von 4oo - 2ooo nm, und hoher Reflexion, vorzugsweise im
Bereiche
über 2500 nm liegender längerwelliger Strahlung, vorgeordnet
ist. Ein derartiger Filter ist in Form von Polycarbonatfolien im Handel. Auf Einzelheiten
dieses Filters wird weiter unten eingegangen, hier soll nur noch betont werden,
daß die Folie außerordentlich geringe Gestehungskosten auf der einen Seite, eine
große Anzahl maßgebender Vorteile auf der anderen Seite aufweist.
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Wesentlich für die Erfindung i8t auch, daß die dtm einfallenden Sonnenwärmestrom
gegenüber abgewandte Wandung des Wärmetauschers durch ein den aus dem Wärmetauscher
ausfallenden Wärmestrom zurückreflektierendes Schild abgekleidet ist. Dieses Schild
kann in einfachster Weise als ein Aluminiumschild ausgebildet sein, dessen dem Wärmetauscher
zugewandte Begrenzungsfläche zweckmäßig hochpoliert ist. Bekanntlich läßt sich Aluminium,
wie aus jeder Schokoladenpackung hervorgeht, besonders einfach zu hochreflektierendem
"Stanniol", also wiederum zu einer Folie auswalzen, mit der die dem SonnenwSrmestrom
gegenüber abgewandte Wandung nur verbunden zu werden braucht, um auf diese Weise
ein Aluminiumschild mit größter Refle xionswirkung zu erzeugen, so daß die zurückreflektierten
Sonnenstrahlen mit Sicherheit in den Wärmetauscherkörper einfallen, und das diesen
durchströmende Wärmeaufnahmemittel mit dem erreichbaren, optimalen Wirkungsgrad
aufheizen.
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Es sind zwar bereits Einrichtungen zur Ausnutzung der Sonnenwãrme
bekannt, bei welchen bereits einzelne, einstellbare Kollektoren verwirklicht sind,
aber diese Einstellung erfolgt lediglich zu Zwecken der Fokussierung der in die
Kollektoren einfallenden Sonnenstrahlen zu den Wärmetauschern hin, die von einem
wärmeaufnehmenden Mittel durchströmt Sind. Da die Fokussierung mit Hilfe von Spiegeln
durchgeführt wird, die unter dem Einfluß sogenannter Nachlaufsteuerungen stehen,
die auf den jeweiligen Sonnenstand ansprechen, konnten sich diese Einrichtungen
wegen ihrer hohen Gestehungskosten nicht allgemein einführen, abgesehen
davon,
daß die auf den Sonnenstand reagierenden Fühler sehr empfindlich und die Steuerungen
selbst äußerst kompliziert sind.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung seien anhand zeichnerisch dargestellter
und beschriebener Ausführungsbeispiele wie folgt erläutert.
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Figur 1 der Zeichnung zeigt schematisch anhand einer Reihe von Vergleichsflächen
mit verschiedener Winkellage zur Horizontalen, in welcher Weise die Neigungslagen
auf derartigen Dachflächen angeordneter, erfindungsgemäß ausgebildeter Sonnenkollektoren
im Verhältnis zu den verschiedenen Dachneigungslagen anfänglich einzustellen und
anschließend festzustellen sind.
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Figur 2 zeigt dabei einen senkrechten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß
ausgebildeten Kollektor.
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Figur 3 gibt eine Draufsicht auf die Anordnung von Wärmetauschern
gemäß der Erfindung und die Art der Verlegung in Bezug auf rohrkanalförmig ausgebildete
Zu- und Ableitungen für den wärmeaufnehmenden Stoff wieder.
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Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch eine abweichende Wärmetauscherausbildung,
für die Figur 5 ein weiteres Beispiel bildet.
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Figur 6 gibt anhand eines Dachquerschnittes einen in euromaischen
Breiten brauchbaren Anwendungsfall wieder.
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In Figur 1 ist die Horizontale durch die Linie 0 - 0 angedeutet, die
von einer Reihe von Vergleichsflächen im Punkte 1 geschnitten ist, wobei sämtliche
Vergleichsflächen unter verschiedenen Winkeln verlaufen, beispielweise die Vergleichsfläche
11 unter einem Winkel von 20 Grad, 12 unter einem
Winkel von 30
Grad, 13 unter einem Winkel von 45 Grad, 14 unter einem Winkel von 65 Grad und 15
unter einem Winkel von 90 Grad. Die Vergleichsflächen können Dachhäuten gleicher
Neigung entsprechen und sie sind insoweit realisierbar. In einem solchen Fall treten
sie unmittelbar als Träger erfindungsgemäß ausgebildeter Kollektoren auf, die schematisch
durch einen schwarzen Strich gekennzeichnet sind. Weiter dargestellt sind jeweils
einerseits die Neigungslagen der Wärmetauscher in Bezug auf die Vergleichsflächen,
andererseits in Bezug auf die Richtung einfallender Sonnenstrahlen 16, Angegeben
sind außerdem die gegenseitigen Abstände 21, 22, 23, 24, 25 usw. der Kollektoren
2. Die Jeweiligen Höhen sind mit 26, 27, 28, 29 usw. angegeben, unter denen eine
als optimal nach den jeweiligen örtlichen Verhältnissen auszuwählen ist, wobei sämtliche
Kollektoren einer Einheit und die Wärmetauscher in den Einheiten untereinander als
Serien- oder Massenfabrikate möglichst übereinstimmen und dann gegeneinander austauschbar
sind. Durch Veriehrfachung der Zahl der Wärmetauscher bei kleineren gegenseitigen
Abständen kann dafür gesorgt werden, daß die Sumne der Bodenprojektionseinzelilgchen
das Ausmaß der Bodenprojektionsfläche der Vergleichsfläche erreicht. Da aber entsprechend
den dargestellten Neigungswinkeln der Vergleichsflächen 11, 12, 13, 14 usw. von
diesen Winkeln als für Jedes Gebäude gegeben auszugehen ist, bedarf es bis auf die
Möglichkeit, daß eine Gebãudedachflãche verschiedene Neigungen besitzt, im allgemeinden
weder einer bestimmten Auswahl noch der Variierung der Abstände 21, 22 usw. noch
der Veränderung der Höhen 26, 27, 28 der Wrmetauscher, wobei ergänzend zu bemerken
ist, daß die Neigung 14 für den Bereich der geographischen Breiten von 45 - 50 Grad
wiederum optimalen Verhältnissen entspricht, so daß dann die dgliUhkeit auftritt,
die Wärmeaufnahmeflächen der Einzelkollektoren planparallel zur Neigung der Vergleichsfläche
14 ansuordnen, wobei in Verbindung mit der Beschreibung der Figur 3 noch die Vorteile
darzustellen sind, die sich in einem solchen Fall ergeben.
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Figur 1 läßt somit erkennen, daß erfindungsgemäß ausgebildete und
angeordnete Kollektoren die Möglichkeit bieten, bei gleicher Bodenprojektionsgesamtfläche
die Summe der Einzelaufnahmeflichen mindestens auf den Wert zu bringen, den ein
als Einzelstück ausgebildeter, dann aber wegen seiner hohen Gestehungskosten unwirtschaftlicher,
einziger Kollektorwårmetauscher mit einer einzigen, durchgehenden Wärmeaufnahmefläche
von der Große der Vergleichs fläche zu verwirklichen vermag, wobei der entscheidende
Nachteil entsteht, einen Wärmetauscher eigens für die Zwecke eines derartigen, einzelnen
Anwendungsfalles letzterem anpassen zu müssen, womit die Gestehungskosten eine Hohe
erreichen, die zu einer grundsätzlichen Unwirtschaftlichkeit des Ganzen führt.
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Figur 2 zeigt im Längsschnitt einen erfindungsgemäß ausgebildeten
Kollektor, der als Ganzes mit 2 bezeichnet ist. Er weist zuerst einen inneren Lamellenkörper
3 auf, der aus einem einzigen, zum Lamellenkörper zusammengefügten, dünnen Stahlblech
mit einer Wandstärke von 0,2 - 0,3 mm besteht, wobei sich die Stahlsorte St 188
als besonders zweckmäßig erwiesen hat. Die Fugenüberdeckung 31 ist in üblicher Weise
geschlossen, beispielsweise durch eine durchgehende, selbst nicht veranschaulichte
Schweißnaht. Es sind Sicken 32 vorhanden, die insbesondere an den Stellen angeordnet
sind, an denen der Lamellenkörper 3 höheren Kräften ausgesetzt und somit zweckmäßig
auszusteifen ist. Demgemäß ist eine derartige Sicke mit einem 0-rörmigen Verlauf
auch an der Stelle der Ein- und Feststellbarkeit der Neigung des Lamellenkörpers
gegen die Strahlrichtung 16 in Figur 1 vorhanden. Man erkennt einen den Lamellenkörper
3 durchsetzenden Gewindebolzen 33 mit der auf ihm befindlichen Ein- und Feststellmutter
34 mit dem Dichtungs- und Widerlagerteil 34, 35. Geht man davon aus, daß der Bodenverschluß
31 auf der den direkt einfallenden Sonnenstrahlen gegenüber liegenden Begrenzungsfiäche
36 des Lamellenkörpers 3 vorgesehen ist, so ist diese Begrenzungsfläche 36 vorteilhaft
durch ein hochpoliertes Aluminiumschild 37 bzw. durch eine Stanniolfolie abgedeckt,
das, bzw. die somit zur Sonne hin hochreflektierend
wirksam ist.
Der gesamte Lamellenkörper 3 ist umhüllt von einer Folie 4 aus einem Polycarbonat,
das unter dem Handelsnamen "LEXAN" (R) auf dem Markt ist. Dieses Polycarbonat besitzt
weitestgehend gerade die Eigenschaften, auf die es hier entscheidend ankommt, nämlich
eine hohe Transmission für kurzwellige Wärmestrahlung, insbesondere im Bereiche
von 400 - 2000 nm, und hohe Reflexion für langwellige Wärmestrahlung (über 2500
nm). Außerdem hat das Polycarbonat eine hohe Dichte von 1,20 g/cm³, eine Kerbschlagzähigkeit
von 40 kp. cm/cm², ein Elastizitätsmodul von 23.ooo kp./cm2, eine Streckgrenze von
600 kp/cm2, eine Dehnung bei der genannten Streckgrenze in Höhe von 7%, eine Bruchfestigkeit
von 700 kp/cm², eine Bruchdehnung von 110% s eine Grenzbereichspannung von 950 kp/cm2,
eine Dauerermüdungsgrenze von 1800 Zyklen (700 kp/cm²), eine Lichtdurchlässigkeit
bei 3 mm Dicke von 85 - 89 %, eine Wärmeleitfähigkeit (k-Wert) von 0,17 kcal/m.h.0
C, eine lineare Wärmedehnzahl 67 - 10-6 cm/cm°C, ein HDT 19 kp/cm² 135° C.
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Die Abriebfestigkeit ist ausreichend, (CS1OF Rad, 500 gr.
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100 Limv. von 1,8%). Das sind physikalische Daten, die in dieser vorteilhaften
Vereinigung bei keinem anderen Werkstoff auftreten.
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Figur 3 gibt eine gegenüber Figur 2 etwas abweichende und vereinfachte
Ausführung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kollektors wieder. In der Draufsicht
zu erkennen ist die rechteckige Begrenzung des Lamellenkörpers 3, der sich im übrigen
nicht von der Ausführung nach Figur 2 unterscheidet.
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Figur 3 läßt erkennen, daß parallel zu den beiden Kurzkanten des Lamellenkörpers
3 Rohrkanäle verlegt sind, die der Zu- und Abführung des wärmeaufnehmenden Mittels
dienen, das in laminarer Strömung durch den Lamellenkörper 3 geführt wird. Dieser
weist den Zuführungsstutzen 43 auf, dem ein Stutzen 44 gleicher Ausbildung unmittelbar
gegenüberliegt, der seinerseits von dem Rohrkanal 41 getragen ist. Auf die beiden
Stutzen 43, 44 aufgezogen ist der kurze Abschnitt 45 eines kräftigen Gummirohres,
das unter Spannung auf die Stutzen 43, 44 aufgezogen ist. Was
auf
der Zuführungsseite des Lamellenkörpers 3 verwirklicht ist, findet sein Gegenstück
auf der Abführungsseite des durch Aufnahme der Sonnenwärme aufgeheizten Wärmetauschmitteis
durch die Stutzen 4f, 44§und die Gummirohrabschnitte 45X. Es kann also der Lamellenkörper
3 in jede Winkellage zu den Kanalrohren 41, 42 gebracht werden, aber es entsteht
infolge der hohen Spannung zwischen den Teilen 43, 44 einerseits, 45 andererseits,
bzw. 43 44'und 45'ein erheblicher Reibungswiderstand, der auf beiden Seiten des
Lamellenkörpers 3 vorhanden ist, so daß der Lamellenkörper in der einmal eingestellten
Winkellage im wesentlichen unverändert verbleibt. Wirken auf den Lamellenkörper
3 starke Windkräfte, so findet eine Torsion der Gummirohrabschnitte 45, 45' statt,
womit elastisch wirksame Rückstellkräfte entstehen, die infolge ihres Überwiegens
wirksam werden, sobald die Windkräfte nachlassen oder wegfallen. Dadurch nimmt der
Lamellenkörper 3 wieder selbständig die Ausgangslage ein, so daß er seine wärmeenergetische
Aurgabe völlig erfüllen kann.
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Eine abweichende Ausführung des Wärmetauschers 5 ist in Figur 4 dargestellt.
Eine nochmals geänderte Ausbildung veranschaulicht Figur 6. Dabei kann die Wandung
38 wieder dieselbe sein, wie sie in Figur 2 bei 38 veranschaulicht ist, ebenso können
beide Wärmetauscher nach den Figuren 4 und 5 die Anordnung 4 nach Figur 2 aufweisen.