DE2758715A1 - Sonnenwaerme-flachkollektor - Google Patents

Description

• Soweit Sonnenwärmesammler an Aussenflächen von Gebäuden oder über an-
• deren, nicht pflanzlich bewachsenen Flächen montiert sind, beeinträchtigen sie die Photosynthese der Pflanzen nicht. Wenn man aber beispielsweise neben einem Schwimmbecken zu dessen aufwärmung photochemische Kollektoren über Grasflächen oder Beeten aufstellt, so dass diese mit ihrer möglichst idealen Schwärzung alles Sonnenlicht absorbieren, so ist keine Assimilation mehr möglich, und die Pflanzen müsse absterben. In diesem speziellen Falle wird die solare Erwärmung von Schwimmbecken oder Warmwasserbereitung für Haushaltszwecke erschwert oder unmöglich, weil man in unseren Breiten Absorberflächen von etwa der gleicher Grösse wie die der Schwimmbecken, somit einige 10¹m² benötigt, die einen allzu grossen Flächenanteil an Kleingärten beanspruchen. Aber nicht nur in diesem speziellen Fall, sondern ganz generell wird mit fortschreitender Erschöpfung der fossilen Brennstoffe und entsprechender Ausbreitung der Nutzbarmachung der Sonnenergie unverseidlich eine steigende Konkurrenz vo Sonnenenergie einerseits und Garten- bzw. Landwirtschaft andererseits unvermeidlich erscheinen. Gewiss erscheint ein Kompromiss etwa derart möglich, dass man die Solarkollektoren nicht ganz undurchsichtig macht, so dass darunter befindliche Pflanzen noch genügend Licht für ihre Photosynthese erhalten; wenn dies über den ganzen Spektralbereich geschieht, bedeutet dies jedoch in doppelter Hinsicht eine Verschlechterung der Wärmesammler. Einerseits müsste die Kollektorfläche der Verminderung ihrer Absorption entsprechend vergrössert werden mit den Nachteilen einer Verteuerung dieser kapitalintensiven Komponeneten und ihres Flächenbedarfs einschliesslich weiterer Beschattung von Grunflächen; andererseits würden die Leerlauftemperaturen der Wärmesammler vermindert werden, die man gegenwärtig durch Übergang zu kostspieligen selektiven Schwärzungen hochzutreiben versucht, damit man in sonnenscheinarmen Ländern, wie z.B. in Deutschland, auch an Tagen mit mässigem Sonnenschein genügend hohe Betriebstemperaturen erzielt.
• Es hat sich daher als notwendig ensiesen, die absorbierende Farba der Wärmeübertragungsflüssigkeit zuzugeben, nic dann durch eilen durchsichtigen Kollektor zirkuliert, seien es gewöhnliche ungefähr parallelopipedische Plastiksäcke oder einfach aufgewickelte Gartenschläuche, die einfach und billig aus handelsüblichem PVC bestehen, oder einen kontrollierten Flussweg erzwingende Stegrohrplatten aus polymerem Methacrylsäureester, iie ebenfalls Aus einer Massenfabrikation preiswert erhältlich sind. Dieser konstruktive Teil der Erfindung bedarf keiner weiteren detaillierten Beschreibung ausser dem Hinweis, dass meist zwischen Kollektor und Verbrauchsstellen ein Wärmeaustauscher eingesclialtet werden muss, um einen Übertritt von Farblösung, z.B. in ein Schwimmbad, vorzubeugen.
• Auch die Grundsätze der Komposition von Farblösungen, insbesondere solchen in Dipolfliissigkeiten, wie Wasser, gelösten, insbesondere elektrolytisch dissoziierten Salzen,sind ausfiihrlich lurchforscht, so beispielsweise der Einfluss der Irlektronen struktur der Metallatome und Säurereste auf die Frequenzbereiche der Durchlässigkeit und der Absorption sowie ihrer Verschiebun; durch die Kationen und Anionen Trotzdem ist die Auffindung eines zufriedenstellenden Farbsystems keine Routineaufgabe, denn es gibt viele negative Eigenschaften eines jeden Vorschlages, z.B.
• die Abhängigkeit der Farbverteilung von geringen Verunreinigungen, deren Beseiti£ung sehr aufwendig und teuer wäre, Giftigkeit, Seltenheit, hoher Preis und geringe Beständigkeit.
• zwei In der Folge werden / Beispiele für Farben nach der Erfindung angeführt, und zwar eins für eine einfache Einstoffsystemfarbe, die sich dem Absorptionsspektrum des Chlorophylls nur annähernd anpasst, dementsprechend breitere Durchlaasfenster und geringeren Wirkungsgrad des Wärmekollektors bietet, und ein zweites für ein komplizierteres Dreistoffsystem mit recht genauer Anpassung an das Absorptionsspektrum des Chlorophylls und damit weniger Wirkungsgradverlusten des Wärmesammlers.
• Beispiel 1 Besonders gute Möglichkeiten bilden Chromverbindungen wegen der ungewöhnlichen Farbenvielfalt, die sich durch pH-Änderungen ergibt.
• Einfache und beständig ist eine 10%-ige wässrige Lösung @o@ @ @delsüblichem Chromnitrat, das @i@ zu 0,3 % Cr-Verunreinigungen @haben darf, ohne eine Farbverteilung zu beeinträchtigen. Fig.3. zeigt die Absorptions des Chlorphylls als Funktion der Wellenlänge (linke Ordinate) und diejenige des Chromnitrats (rechte Ordinate). Diese beiden Eigenschaften sind einander komplementär, d.h.
• die S@@e der @eide@ Kurven müsste exakt konstant sein (100%), falls sie sich genau ergänzten. Diese Auftragung gibt eine anschauliche Kontrolle des Grades der erreichten Komplementarität, der hier im Verhältnis zur Einfachheit des Rezeptes durchaus befriedigend ist.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bisherige, den gesamten Spektralbereich des sichtbaren Lichts lückenols undurchsichtig machende Absorptivität α des photochemischen Kollektors zu erhalten, @ber im Orangeroten (µm # = 455 nm) und im Blauen ( µm # = 680 nm) je ein Durchlässigkeitsfenster zu schaffen, durch welche die beiden wie Antennen wirkenden, aus je ca. 200 Chlorophyll- und Pigment-Molekülen bestehenden photosynthetischen Einheiten I bzw. II die zur Photolyse von II aus H20 notwendige spaktrale Energie voll empfangen, und zwar ohne Mitwirkung der übrigen Spektralbereiche, die unverändert fast voll für die Einsammlung und @eitergabe von Wärmeenergie arbeiten. Fig.1 gibt das Absorptionsspektrum der grünnen Chloroplasten von Pflanzen wieder, in denen die photosynthetischen Apparate lokalisiert sind und zeigt die beiden Absorptionsmaxima, deren Wellenlängen sich wie 2 : 3 verhalten. Obwohl im blauen Absorptionszustand @ank der @@@eren Frequenz der Lichtquanten mehr Energie als im orangeroten Empfänger absorbiert wird, nimmt dieser nicht direkt an der Photosynthese teil, sondern gibt die empf n;\ene Energie schnell @@ einen längerwelligen Resonator weitcrO Dies gesichert teilweise ii Form thermischer Energie, und trotzdem erreicht der Wirkungsgrad tier Umwandlung von optischer in chemische Energie, bezogen auf die empfangenen aktiven Lichtwellenlängen, noch 28 %. Allerdings macht die empfangene optisch verwertbare Ener-ie weniger als 1 % tier gesamten auftreffenden Sonnenstrahlung aus, so dass die erfindungsgemässe Anordnung eines Flachkollektors mit zwei schmalen Durchlässigkeitsbereichen bei möglichst idealer Konstruktion keine merkliche Schwächung der Wärmeeinsammlung zu ergeben braucht. Dies veranschaulicht Fig.2, bei der über der Wellenlängenskala die von der Sonne mit einer scheinbaren Temperatur von 5800 K nach der Planck'schen Strahlungsformel ausgesandte Energie (i willkürglichen Einheiten) aufgetragen ist, während die a beigen, im or/ngeroten Bereich und bla@en Bereich durchgelassenen, für die Wärmeerzeugung verlorenen Energien schraffiert dargestellt sind. Man erkennt, d@ss diese Energiebereiche bei sehr schmaler Aus@lendung tatsächlich nur einen geringen @@@chteil der Gesamtstrahlungsenergie ausmachen. Gemäss der Erfindung kamm man aber auch auf den Aufwand einer so scharfen Ausblendung verzichten und mit den billigeren Farblösungen vorliebnehmen, um dank verminderten Investitionen höhere Gesamtwirkungsgrade zu erreichen.
• Es wäre verhältnismässig naheliegend, die übliche Methode der Einschliessung der selektiv absorbierenden Flüssigkeit in einer Küvette mit zwei planparallelen Glasscheiben auf den Solarkollektor zu übertragen und zu diesem Zweck einfach die bekannte Anordnung der Abdeckung mit zwei Glasplatten zu wahlen, zwischen die man die Farbflüssigkeit einf@llt. Dann würde sich aber die Küvette ungeschützt gegen Wärmeverluste erwärmen und der darunterliegende, spektral lückenols geschwärzte Absorber würde das ausgefilterte orangerote bzw. blaue Licht nicht zu den dahinter befindlichen Pflanzen durchlassen.
• Beispiel 2 @,000 g Kupfersulfat (CuSO4.5 H2O), 3,000 g Mannit ( C6H6(OH)6) und 50 cm³ Pyridin (C5H6N) werden mit destilliertem Wasser zu 1000 cm³ Lösung aufgefüllt. Fig.4 zeigt wiederum die Absorptionskurve des Chlorophylls (linke Ordinate) im Vergleich zur Transmissionskurve der Kupfersulfat-Mannit-Pyridin-Lösung in einer 10,0 mm dicken Schicht bei einer Temperatur von 25°C.
• Wie man daraus ersehen kann, ist die Komplementarität der Absorption von Chlorophyll und Farblösung durch das Vielstoffsystem noch verbessert worden, ohne den Aufwand allzu sehr zu erhöhen.
• Es soll darauf hingewiesen werden, dass die vorliegende Erfindung der zu Chlorophyll komplementären Flüssigkeitsfilter sich nicht nur auf die gleichzeitige Ausnutzung kleiner Gärten für die @esonnung photothermischer Solarkollektoren einerseits und für die Kultivierung von darunter befindlichen Pflanzen andererseits beschränkt. Man kann auch z.B. Gewächshäuser mit kollektoren nach der Erfindung bedecken. Es erscheint auch aussichtsreich, z.B. in den sonnenreicheren Ländern, einen Verbundenbetrieb in zwei Ebenen einzurichten, so dass die nach Süden geneigten kollektoren auf einer Art Pergola montiert werden, während darunter auf dem Erdboden Nutzpflanzen, wie etwa Weinstöcke kultiviert werden. Tut man dies auf grösseren Flächen, so wird man dank der Entnahme eines Teils der Sonnenenergie für Nutzzwecke eine f@hlbare Herabsetzung der Hitze und damit eine Klimaverbesserung erreichen können. Dies ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Kollektorsystems.
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Claims (5)

1. Sonnenwärme-Flachkollektor Patentansprüche 1. Sonnenwärme-Flachkollektor, dadurch gekennzeichnet, dass er durchsichtig ist und eine selektiv geschwärzte Wärmeübertragungsflüssigkeit hat, wobei ihre Schwärzung zwei Durchlässigkeitsfenster aufweist, von denen eines im Orangeroten im Wellenbereich um # = 455 nm, das andere im Blauen um = 680 nm liegt, so dass liillter diesem Absorber befindliche Grünpflanzen genügend Licht zur Anregung ihrer photosynthetischen Systeme erhalten, ohne Cass die Wärmeabsorption des photothermischen Teils des Kollektors merklich vermindert wird.
2. 2. Sonnenwärme-Flachkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnetX dass die Schwarzfarbe mit spektralselektiven Durchlässigkeits-Fenstern für die Anregung der Absorptionsmaxima des Chlorophylls in der Wärmeübertragungsflüssigkeit gelöst ist, während die zumindest im sichtbaren Spektralbereich hochgradig durchsichtigen festen Bestandteile des Kollektors vorzugsweise aus Kunststoff bestehen.
3. 3. Sonnenwärme-Flachkollektor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die spektralselektive, in der Wärmeübertragungsflüssigkeit, vorzugsweise Wasser gelöste Farbe im wesentliciien aus Chromnitrat besteht.
4. 4. Sonnenwärme-Flachkollektor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die spektralselektive, in der Wärmeübertragungsflüssigkeit gelöste Farbe aus einem Gemisch von Kupfersulfat, Mannit und Pyridin besteht .
5. 5. Sonnenwärmekollektor nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeicllnet, dass er mit Abstand auf einem Rost über Gründflächen montiert ist.