DE2751063A1

DE2751063A1 - Vorrichtung zum erwaermen einer fluessigkeit mit sonnenenergie

Info

Publication number: DE2751063A1
Application number: DE19772751063
Authority: DE
Inventors: Lars A Bergkvist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-11-19
Filing date: 1977-11-15
Publication date: 1978-06-01
Also published as: DK509377A; US4167937A; JPS5377356A; NO143824C; SE401257B; SU828983A3; GB1576257A; NO773927L; FR2371647B1; NO143824B; ES464651A1; CA1097166A; FR2371647A1; FI773482A

Description

PATENTANWÄLTE ,., _ „

HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN ^L ^J

niPl.-PHYS. DIPL.-INC.

Lars A. Bergkvist no-bk-16

14. 11. 1977

Vorrichtung zum Erwärmen einer Flüssigkeit mit Sonnenenergie

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, mit Sonnenenergie, bei der die Flüssigkeit durch die auf eine Fläche auftreffenden Sonnenstrahlen erwärmt wird, mit der die Flüssigkeit in Berührung steht. Hehrere solcher Vorrichtungen sind in den letzten Jahren in Verbindung mit der Erwärmung von Wasser für ein Einfamilienhaus vorgeschlagen worden. Die 809822/0659

D-7O7 SCHWABISCH CMÜND CEMfINSAMt KONTEN: D-8 MfINCHfN 70 Telefon: (07171) 56 90 DeutuJie Hank München 70/37369 (BIZ 700 70010) Telefon: (0 8V) 77 89 Il S(HROETER Tilrgramme; Sdiroepat Schwabiich (.mund 02/00 535 (BI.Z 613 700 86) K.LEHMANN Telegramme: SJiroepat

ΙιΛιμ« *1 Tele«: 7248 868 pagdd PottMiinikonto München 1679 41-804 Lipowikyiiraß» 10 Telei: 5 212 248 pawe d

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Vorrichtung, die als sogenannter Sonnenkollektor bezeichnet wird, kann auf dem Hausdach angebracht werden. Das erwärmte Wasser wird üblicherweise in einem in dem Haus liegenden Wasserbehälter gespeichert.

Ein derartiger Sonnenkollektor weist meist eine schwarze matte Fläche, auf die die Sonnenstrahlen auftreffen, und eine wasserführende Rohrleitung auf, die aus Metall besteht und somit wärmeleitend ist und in Berührung mit dieser Fläche steht.

Die Strahlungsintensität der Sonne ist im Verlauf eines Jahres in der nördlichen Hemisphäre, wie z.B. in Schweden, relativ gering, und sie ist im Winter am niedrigsten. Die Periode der geringen Strahlungsintensität fällt mit der kälteren Jahreszeit zusammen. Meist sind die vorgenannten Vorrichtungen üblicherweise wie beschrieben aufgebaut, jedoch kann die Sonnenstrahlung auf optische Weise gebündelt werden, um die Temperatur des erwärmten Wassers steigern zu können. Dies stellt eine Wunschvorstellung dar, da es vom Standpunkt des Verbrauchers aus günstiger ist, Wasser mit einer Temperatur zu speichern, die zur Verwendung als Heißwasser geeignet ist, d.h. wenigstens 6O°C beträgt. Während der kalten Jahreszeit wird der Sonnenkollektor gekühlt, so daß sich mit dem wie üblich ausgelegten Sonnenkollektor nur schwerlich eine derartige Wassertemperatur erzielen läßt.

Bei der Bündelung des Lichts mit üblichen Linsen oder Spiegeln ist jedoch eine große Gefahr verbunden, da das den Sonnenkollektor durchströmende Wasser gleichzeitig beim Erwärmen den Kollektor kühlt. Wenn diese Kühlwirkung nicht mehr vorhanden ist, was beispielsweise beim Unterbrechen des Wasserstroms durch den Kollektor auftreten kann, kann der Kollektor

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infolge einer Überhitzung beschädigt werden, mit der ebenfalls eine Brandgefahr des Hauses verbunden ist.

Somit sollten die Sonnenstrahlen gebündelt werden können und gleichzeitig eine Überhitzung infolge eines beispielsweise durch eine defekte Pumpe verursachten gestörten Wasserkreislaufes ausgeschlossen sein.

Die Erfindung befaßt sich mit einer Vorrichtung zur Bündelung der Sonnenstrahlen, die gleichzeitig so ausgelegt und ausgebildet ist, daß eine Überhitzung infolge eines gestörten Wasserkreislaufes ausgeschlossen ist.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erwärmen von Wasser mit Sonnenenergie mit ein oder mehreren wärmeabsorbierenden Elementen mit einer Oberfläche, vorzugsweise aus Metall, die Wasser führen.

Erfindungsgemäß zeichnet sich eine Vorrichtung dadurch aus, daß eine oder mehrere Linsen oberhalb der Fläche der Elemente und in einem Abstand zu diesen angeordnet sind, und daß die Linsen einen Mantel aufweisen, in dem ein lichtbrechendes Medium enthalten ist, das die Flüssigkeit bildet.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung nach der Erfindung bei einem Einfamilienhaus;

Fig. 2 einen Ausschnitt der Vorrichtung in Fig. 1 mit Blickrichtung von der Seite;

Fig. 3 eine Draufsicht , auf einen Ausschnitt der Vorrichtung;

Fig. 4 eine Linse und wärmeabsorbierende Elemente,

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die der Vorrichtung zugeordnet sind, und die Figur stellt eine Schnittansicht parallel zur Längsachse der Linse dar; und

Fig. 5 die Vorrichtung und wärtieabsorbierenden Elemente senkrecht zur Längsachse der Linse.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 nach der Erfindung auf dem Dach eines Einfamilienhauses 2 angebracht. Bei dieser Ausführungsform und bei nachstehenden weiteren Anwendungsfällen ist die Flüssigkeit Wasser. Wenn die Vorrichtung 1 zum Erwärmen von Wasser für ein Haus 2 bestimmt ist, weist das Haus eine entsprechend geeignete Dachschräge auf, so daß die Vorrichtung eine derartige Normalenrichtung aufweist, daß der größtmögliche Teil der Sonnenenergie auf die Vorrichtung auftrifft. Die Normalenrichtung der Vorrichtung ist ferner nach Süden gerichtet.

In den Fig. 2 bis 5 sind verschiedene Schnittansichten einer Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung gezeigt.

Die Vorrichtung weist mehrere, zueinander parallel angeordnete Linsen 3 auf. (Vergleiche Fig. 1 bis 3). Die Vorrichtung umfaßt ferner wärmeabsorbierende Elemente h mit einem Hohlraum 13, der die Flüssigkeit enthält. Die wärmeabsorbierenden Elemente können beispielsweise einen Durchlaß mit rechteckförmigem Querschnitt aufweisen, durch den die Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, durchläuft. Eine' Oberseite 5, die eben und senkrecht zu der optischen Achse einer dem Element 4 zugeordneten Linse 3 ist, ist vorzugsweise schwarz und matt. Die Abmessung dieser Oberseite 5 ist derart gewählt, daß auf die entsprechende Linse auftreffendes Licht nach seiner Brechung in der Linse an dieser Fläche aufgenommen werden kann.

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Die Elemente 4 sind parallel zueinander angeordnet und wie zuvor beschrieben - einer Linse 3 zugeordnet, die mit einem entsprechenden Element k verbunden ist.

Jede Linse 3 besitzt eine im wesentlichen zylindrische Gestalt mit einem im wesentlichen ovalen Querschnitt 3'ι so daß das parallel zu der kurzen Achse des ovalförmigen Querschnitts des Zylinders einfallende parallele Licht 6 zu einer schmalen, länglichen Fläche in einem bestimmten Abstand von dem Zylinder gebrochen wird, wobei die kurze Achse die optische Achse der Linse bildet. Die Abmessung und Größe dieser Fläche stimmt im wesentlichen mit der Abmessung und Größe der oberen Seite 5 des Elementes h Uberein.

Jede Linse 3 umfaßt einen Mantel 7, vorzugsweise aus einem transparenten bzw. lichtdurchlässigen Kunststoff. Selbstverständlich können auch andere transparente Materialien Verwendung finden. De^ Außenmantel 7 der Linse 3 umschließt einen Hohlraum in der Linse, der Wasser enthält. Hierzu ist die Linse 3 mit einer Öffnung 8 zum Zuführen der Flüssigkeit und mit einer Öffnung 9 zum Ableiten der Flüssigkeit versehen. Die Flüssigkeit ist beispielsweise Wasser und mit 10 bezeichnet. Die Zuführungsöffnung θ und die Auslaßöffnung 9 sind vorzugsweise in zwei entsprechenden Endwandungen 11, 12 der Linse vorgesehen, die vorzugsweise im allgemeinen aus demselben Material wie die Linse 3 bestehen. Das lichtbrechenda Medium in dem von dem Mantel 7 der Linse 3 gebildeten Hohlraum wird von dieser Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, gebildet. Dies hat zur Folge, daß die Linse 3 nur als lichtbrechendes Element wirken kann, wenn die Linse mit Wasser aufgefüllt ist. Die Linse 3 verliert ihre Brechungswirkung schon bei einer geringen Volumenverminderung des Wassers in

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der Linse derart, dai3 die Oberseite 5 des wärmeabsorbierenden Elements 4 eine geringere Lichtmenge als das auf die Linse auftreffende Licht erhält. Infolge der Volumenverminderung des wassers in der Linse weist die Oberseite 5 eine geringere Temperatur als bei dem in der Linse zu erwartenden Wasservolumen auf. Wenn die Linse kein Wasser enthält, entspricht die auf die Oberseite 5 auftreffende Lichtmenge der Lichtmenge der Sonnenstrahlung auf die Oberseite 5.

Wenn man Linsen verwendet, die das Licht auf eine kleinere Fläche als die Linsenfläche brechen, erhält man eine Zunahme der Energiedichte, so daß man eine höhere Wassertemperatur in dem wärmeabsorbierenden Medium 4 erzielen kann. Die entsprechende Wassertemperatur erhält man durch eine geeignete Kombination der Ausbildung der Linse, der Größe der Oberseite 5 des wärmeabsorbierenden Elementes 4 und des Wasserdurchsatzes durch dieses Element. Eine Lichtbrechung zur Erzielung einer höheren Temperatur in diesem Element führt zu einer Gefahr des Überhitzens dieses Elementes, wenn die Wasserversorgung dieses Elementes gestört oder unterbrochen ist.

Um dieses Element 4 vor Überhitzung und somit vor Beschädigungen zu schützen und eine mögliche, mit der Überhitzung verbundene Brandgefahr für das Haus 2 auszuschließen, steht eine der beiden Öffnungen jeder Linse in Verbindung mit dem wasserführenden Hohlraum 13 in dem wärmeabsorbierenden Element, das mit der entsprechenden Linse derart verbunden ist, daß bei einer Unterbrechung oder Verminderung der Wasserversorgung zu dem Element 4 um ein bestimmtes Ausmaß die Wassermenge in der Linse abnimmt und somit die lichtbrechende Wirkung vermindert wird.

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Vorzugsweise wird dies dadurch ermöglicht, daß ein Verbindungsrohr 14 zu der Zuführungsöffnung 8 der Linse 3 mit einer Pumpe 15 verbunden ist, die der gesamten Anlage Kaltwasser zuführt. Das Auslaßrohr 16 aus der Linse 3 ist ebenfalls mit der Pumpe 15, und zwar mit der Saugseite der Pumpe, verbunden, so daß das von der Linse 3 abgeführte Kaltwasser wiederum der Vorrichtung mit Hilfe der Vorrichtung zugeführt wird. Von dem Zuführrohr 14 verläuft ein zusätzliches Rohr 17, durch das Wasser in das wärmeabsorbierende Element 4 gepumpt wird. Dieses Element 4 weist ferner ein Auslaßrohr 18 auf, durch das erwärmtes Wasser zu einem Sammelbehälter für Warmwasser, Heizkörper usw., strömt. Der Vorrichtung wird Kaltwasser über eine Kaltwasserleitung 27 zugeführt, die an der Saugseite der Pumpe 15 angeschlossen ist. In Fig. 5 ist die Strömungsrichtung des Wassers mit einem Pfeil angedeutet. Bei einer Unterbrechung oder einem Fehlen der Wasserversorgung über die Kaltwasserleitung 27 wird das Wasser in der Linse 3 teilweise durch das wärmeabsorbierende Element 4 gepumpt und über das Auslaßrohr 8 von der Vorrichtung abgeführt, wodurch das Wasservolumen in der Linse abnimmt. Wenn die Pumpe 15 stillsteht, wird die Flüssigkeit infolge der Saugwirkung über das Auslaßrohr 18 abgezogen. Bei der Abführung des Wassers wird das Wasservolumen durch Luft ersetzt, die in die Vorrichtung über ein Ventil 19 einströmt, das entsprechend ausgebildet und beispielsweise an der Zuführungsöffnung jeder Linse 3 angeordnet ist.

Während der kalten Jahreszeit ist eine bestimmte Erwärmung des Wassers in der Linse erforderlich, wenn die Flüssigkeit Wasser ist, um ein Gefrieren des Wassers in der Linse zu verhindern. Diese Erwärmung wird dadurch erzielt, daß ein

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Teil des in dem Auslaßrohr 18 strömenden erwärmten Wassers über ein Strömungsregelventil 20 und ein Rohr 21 zu dem Zuführungsrohr 40 für die Linse 3 geleitet wird. Das Ventil 20 ist auf an sich bekannte Art und Weise ausgebildet und läßt sich in Verbindung mit der Temperatur der Umgebungsluft derart steuern, daß man eine entsprechende Temperatur des in die Linse geleiteten Wassers erhält.

Die Elemente weisen vorzugsweise einige Innenwandungen 22,23, 24 auf, die von dem Wasser angeströmt werden, um der wärmeemittierenden Fläche des Elementes 4 eine möglichst große Größe zu geben. Die hierfür erforderlichen konstruktiven Maßnahmen sind an sich bekannt.

Elemente 4 sind mit einer der gesamten Vorrichtung gemeinsamen Platte 25 fest verbunden. Von dieser Platte 25 verlaufen Tragstege 26 weg, die die Linsen 3 tragen. An der Verbindungsstelle mit einer Linse 3 sind die Tragstege 26 an die Außenkrümmung der Linse angepaßt und in ihrer Gestalt entsprechend ausgelegt. Die Platte 25 kann vorzugsweise drehbar bezüglich der Neigung der normalen Richtung zur Horizontalebene angebracht sein, jedoch kann die Platte c.uch bezüglich des Winkels der Normalenrichtung zum Süden drehbar sein. Die zuletzt genannte Drehmöglichkeit ist jedoch von geringerer Bedeutung, da die zylindrischen länglichen Linsen eine Bündelung der Strahlung bei relativ kleinen Veränderungen in der Größe ermöglichen, wenn das Licht unter einem Winkel auftrifft, der geringfügig größer oder kleiner als 90° zur Längsachse des Zylinders ist, wobei vorausgesetzt ist, daß das Licht parallel zur optischen Ebene der Linse ausgerichtet ist. Die Gestalt der Linse 3 bildet somit einen großen Vorteil bei dem Energieaustausch zwischen der

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in Form einer Strahlung auftreffenden Energie und der zu den Elementen gelangenden Energie, wenn die Vorrichtung ortsfest angebracht ist und die Linsen in einer horizontalen Ebene liegen.

Die Erfindung umfaßt ebenfalls auch runde, konvexe Linsen oder Linsen mit anderer Gestalt oder auch Linsensysteme.

Auch können andere lichtbrechende Medien als Wasser, wie z.B. ein Wasser-Glykol-Gemisch, oder ein Wasser-Alkohol-Gemisch, verwendet werden, wobei das Element 5, die Leitungen 16, 14,21, die Pumpe 15 und die Linse 3 ein geschlossenes System bilden. Die Leitung 27 dient nur zum Auffüllen und Entleeren der Vorrichtung. Ein Expansionsbehälter bzw. ein Ausgleichsbehälter ist vorzugsweise in Verbindung mit dem Ventil vorgesehen.

Bei dieser zuletzt genannten Ausführungsform sind die Elemente 5 als ein Wärmeaustauscher ausgebildet, wobei ein System die zirkulierende Flüssigkeit 10 und ein System beispielsweise Wasser enthält. Die Wärmeenergie wird von der Flüssigkeit 10 zu einem zu erwärmenden Mittel, wie z.B. Wasser, übertragen, das dann zu einem Vorratsbehälter, wie z.B. zu Heizkörpern oder dergl., geleitet wird, in dem sich das Mittel ansammelt. Der Wärmeaustauscher kann auf an sich bekannte Art und Weise ausgelegt und ausgebildet sein.

Die Linsen 3 und die Elemente 4 sind, wie zuvor beschrieben, entsprechend zueinander parallel angeordnet. Die Elemente können, wie in Fig. 2 gezeigt, parallel oder auch in Serie geschaltet sein. Vorzugsweise ist jedoch eine wechselweise Parallelschaltung der Elemente vorgesehen. Jede Linse kann mit dem entsprechenden Element auf die vorstehend beschriebene Weise verbunden sein, jedoch ist auch eine andere Ausbildungsform der Verbindung möglich.

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Claims

PATENTANWÄLTE

HELMUTSCHROETER KLAUS LEHMANN ^/ J IUbJ

DlPL-PHYS. DIPL.-INC.

- Jf-

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Patentansprüche

f) Vorrichtung zum Erwärmen einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, durch Sonnenenergie mit einem oder mehreren wärnieabsorbierenden Elementen mit einer Oberfläche vorzugsweise aus Metall, die eine Flüssigkeit führen, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Linsen (3) oberhalb der Oberseite (5) des Elementes (4) und in einem Abstand zu diesem Element (4) angeordnet sind, die einen Mantel (7) aufweisen, in dem ein von der Flüssigkeit (10) gebildetes lichtbrechendes Medium eingeschlossen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Linse Flüssigkeit führt, und daß eine Öffnung (8) zum Zuführen der Flüssigkeit zu der Linse (3) und eine öffnung (9) zum Abführen der Flüssigkeit aus der Linse (3) in dem Mantel (7) der Linse (3) vorgesehen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Öffnungen (8,9) jeder Linse (3) in Verbindung mit einem Flüssigkeit führenden Hohlraum (13) in dem Element (4) steht, das der ent-

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D-707 SCHWABISCH CMOND GEMEINSAME KONTEN: D-8 MÖNCHEN 70

Telefon: (07171) 56 90 DtuuJie Bank München 70/17)69 (BLZ 700 790 10) Telefon: (0 89) 77 19 Si

H. SCHROETER Telegramm*: Sthroepat SthwibisJ) Cmünd 02/00 SJS (BLZ 61J 700 Ii) K.LEHMANN Telegramme: SJiroep«

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sprechenden Linse (3) zugeordnet ist, so daß bei einem Stillstand oder einer Abnahme der Wassermenge in dem Element (4) auf ein vorbestimmtes Maß die Wassermeneje in der Linse und ihre lichtbrechende Wirkung abnehmen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (7) jeder Linse (3) aus einem lichtdurchlässigen bzw. transparenten Kunststoffmaterial besteht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Linse (3) eine längliche und im wesentlichen zylindrische Gestalt aufweist, deren Querschnitt (3') im wesentlichen so ovalförmig ist, daß parallel zu der kurzen Achse des ovalfö'raiigen Querschnitts des die optische Achse der Linse (3) bildenden Zylinderreinfallendes paralleles Licht (6) in einem bestimmten Abstand vom Zylinder auf einem schmalen länglichen Flächenbereich gebrochen wird.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Linsen (3) und die zugeordneten Elemente (4) parallel zueinander angeordnet sind, und daß die Oberseite (5) jedes Elementes (4) senkrecht zu der optischen Achse oder der optischen Ebene der Linse (3) ausgerichtet ist, die dem Element (4) zugeordnet ist.

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