-
Beschreibung
-
Vorrichtung zur Nutzung von Sonnenenergie.
-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung von Sonnenenergie
mit einem wärmeisolierten schwarzfarbenen Absorber, einem mit Wärmekontakt zum Absorber
angeordneten Wärmetauscher, der von Flüssigkeit durchströmbar ist, und einem Wärmespeicher,
insbesondere mit einer sonnenseitig vor dem Absorber angeordneten, strahlenselektiv
wirkenden sonnenlichtdurchlässigen Abdeckscheibr.
-
Eine derartige Vorrichtung ist bereits bekannt. Sie wird unter anderem
bei Wohnhäusern zur teilweisen Deckung des Energiebedarfs eingesetzt, der sich aus
dem Verbrauch an Warmwasser und/oder der notwendigen Beheizung von Räumen ergibt.
Dabei ist der Absorber als schwarze Folie oder Platte mit im wesentlichen ebener
Oberfläche ausgebildet und üblicherweise in zur Sonne geneigter Lage auf dem Hausdach
montiert. Durch die Schrägstellung des Absorbers soll eine möglichst große Strahlungsdichte
Je Oberflächeneinheit erreicht werden. Diesem Ziel dienen auch bekannte NachfUhrmechaniken,
mit deren Hilfe die Lage des Absorbers in Anpassung an den Lauf der Sonne verändert
wird, so daß der Absorber stets mehr oder minder senkrecht zu den einfallenden Sonnenstrahlen
gehalten wird.
-
Zur Speicherung der Sonnenenergie wird üblicherweise Wasser verwendet,
das eine vergleichsweise hohe Wärmekapazität aufweist. Der zugehörige isolierte
Wärmespeicher ist bei den bekannten Sonnenkollektoranlagen vom Absorber getrennt
aufgestellt, gegebenenfalls in räumlicher Nähe zu einem Wärmeverbraucher bzw. einer
Nachheizeinrichtung (Brenner), die gegebenenfalls die noch benötigte Restenergie
liefert und dabei die Einhaltung des gewünschten Temperaturniveausam Verbraucher
sicherstellt. Der Wärmetransport vom Absorber zum Wärmespeicher erfolgt dadurch,
daß der Wärmetauscher, der vorzugsweise mit der sonnenabgewandten Rückseite der
Absorberplatte oder -folie fest verbunden ist, von Wasser durchströmt wird, das
im Kreislauf durch den Wärmespeicher oder einen weiteren im Wärmespeicher angeordneten
Wärmetauscher ungewälzt wird. Dabei können mehrere getrennte Absorberelemente, die
zusammen die benötigte Absorberfläche ergeben, in Parallelschaltung oder auch in
Reihenschaltung an den zentralen Wärmespeicher angeschlossen werden. Die im Wärmespeicher
in Form von heißem bzw. warmem Wasser gespeicherte Sonnenenergie wird dadurch genutzt,
daß dem Verbraucher entweder direkt das warme Speicherwasser zugeführt wird oder
aber dem Verbraucher zuzuführendes Wasser durch einen Wärmetauscher im Wärmespeicher
geleitet und dabei erwärmt wird.
-
Diese bekannte Sonnenkollektoranlage erfordert einen erheblichen baulichen
Aufwand durch die Notwendigkeit mehrerer Wärmetauscher und die einzelnen Isolierungen
der voneinander getrennten Vorrichtungsteile sowie einen hohen Montageaufwand durch
die Dachmontage des Absorbers und seine Abstützung in Schräglage. Dabei kann trotz
der Lagerung des Wärmespeichers und damit des Hauptanteils der Wasserfüllung an
geeigneter Stelle, z.B. auf einem Kellerboden, eine Verstärkung der Dachkonstruktion
erforderlich werden. Aus diesen
Gründen ergeben sich vergleichsweise
hohe Anlagekosten, die sich ungünstig auf die Wirtschaftlichkeit auswirken und ein
wesentlicher Grund für die bisher noch geringe Verbreitung der Sonnenenergieanlagen
selbst in Gegenden mit hoher durchschnittlicher Sonnenscheindauer sind. In diesem
Zusammenhang ist die Ausbildung des Absorbers von maßgeblichem Einfluß.
-
Der Wirkungsgrad der bisher verwendeten Absorber ist vergleichsweise
gering, die einfallende Sonnenstrahlung wird also nur teilweise eingefangen und
genutzt, was in nachteiliger Weise zu großen Absorberflächen sowie zu deren Anordnung
auf einem Hausdach und zur Schrägstellung sowie ggf.
-
zur aufwendigen sonnenorientierten Verschwenkung führt. Diese Anordnung
zieht wiederum die getrennt e Aufstellung des Wärmespeichers und die damit zusammenhängenden
Nachteile nach sich.
-
Die relativ schlechte Absorptionswirkung der bekannten Absorber beruht
darauf, daß trotz Schwärzung des Absorbers an dessen im wesntlichen glatter sonnenseitiger
Oberfläche ein beachtlicher Strahlenantl reflektiert wird und somit ungenutzt verloren
geht. Hiergegen hilft weder eine verbeaserte Isolierung des Absorbers noch die Verwendung
einer selektiv wirkenden Abdeckscheibe, deren Durchlässigkeit sich nach der Wellenlänge
der Strahlung richtet und daher für Sonnenlicht in beiden Richtungen durchlässig
ist und nur Verluste durch die langwelligere Eigenstrahlung der erwärmten Absorberfläche
verhindert.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sonnenlichtabsorber
mit höherem Absorptionsvermögen zu schaffen und dadurch die Anlagekosten zu senken
und die Wirtschaftlichkeit der Vorrichtung zu erhöhen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Absorber
sonnenseitig eine zerklüftete, in Richtung des Strahlungseinfalls räumlich in die
Tiefe gehende Oberfläche aufweist.
-
Bei einem solchen erfindungsgemäßen räumlichen Absorber bzw. Sonnenkollektor
treffen die Sonnenstrahlen nicht nur peripher auf sondern dringen im wes ntichen
vollständig in die durch Zerklüftung gebildeten Hohlräume des Absorbers ein. Dieses
hat zur Folge, daß der beim ersten Auftreffen eines Strahls reflektierte Strahlanteil
erneut innerhalb des Absorberkorpers auf diesen auftrifft. Es spielt sich somit
innerhalb des Absorbers eine Wiederholungsfolge von Reflexionen Jeweils verbunden
mit einer Teilabsorption ab, wobei im wesentlichen das gesamte einfallende Sonnenlicht
und damit die Energie absorbiert wird.
-
Für diese räumliche Absorption von Sonnenlicht gibt es interessanterweise
in der Natur eine Reihe von Vorbildern.
-
Dazu zählen das Blattwerk eines Baumes oder Strauches, der aus einer
Vielzahl von Blumen gebildete Wald, die grasbewachsene Wiese oder auch ein dunkelerdiger,
krümeliger Ackerboden. In all diesen Fällen erfolgt jeweils eine maximale Ausnutzung
der einfallenden Sonnenenergie, die räumlich bzw.
-
in einer Reihe von Ebenen oder Schichten absorbiert wird.
-
Bei diesen Absorptionsprizip kann auch auf eine Schwarzfärbung des
Absorbers verzichtet werden, wie es beispielsweise beim grünen Blattwerk der Fall
ist, ohne daß dadurch ein Ubermäßiger Anteil der einfallenden Sonnenenergie verloren
geht. Sin weiteres Beispiel für räumliche Sonnenabsorption ist der sich bekanntlich
schnell erwärmende Moorsee, bei dem dunkelfarbene Schwebeteilchen in allen Wassertiefen
vorhanden sind, ohne geschlossene Teilchenschichten zu bilden, so daß die durch
die Wasseroberfläche einfallenden Sonnenstrahlen mehr oder weniger tief eindringen
und in einer Folge von Teilabsorptionen von der Gesantheit der Schwebeteilchen im
wesentlichen vollständig aufgesogen werden.
-
Es ist somit ersichtlich, daß der erfindungsgemäße räumliche Absorber
mit seiner Zerklüftung zu einem höheren Absorptionsgrad führt, als er mit den bekannten
Absorbern zur Sonnenenergienutzung erzielt wird, die mit im wesentlichen glatter
Oberfläche ausgeführt sind und daher als Flächenabsorber bezeichnet werden können.
Die Vorteile der erhöhten Absorptionswirkung liegen auf der Hand. Zunächst ei al
kann mit kleineren Absorberquerschnitten senkrecht zur Strahlrichtung gearbeitet
werden. Oder es wird auf eine Dachontage und Schri6-stellung des Absorbers verzichtet,
der dann einfach auf dem Erdboden oder ggf. auch auf einem Flachdach gelagert wird.
-
Diese letztere Möglichkeit erweist sich aus wirtschaftlichen Gründen
als besonders sinnvoll, denn wie nachstehend näher dargelegt kann ein erfindungsgemäßer
räumlicher Absorber besonders preisgünstig hergestellt werden, so daß die bei flacher
Bodenmontage geringere Strahlungsdichte je Absorberquerschnittsfläche ohne große
Kosten durch eine entsprechende Vergrößerung des Absorbers ausgeglichen werden kann.
Die flache Bodenmontage des Absorbers eröffnet in Verbindung mit einem geringen
Herstellungsaufwand und mit der nachfolgend noch beschriebenen Möglichkeit zur Nutzung
der Raumform bzw.
-
Dicke des Absorbers zur vereinfachten Wärmeübertragung und Wärme speicherung
eine umfassende Sonnenenergienutzung auch in den Fällen, in denen diese Nutzung
bisher aus technischen oder finanziellen Gründen unterbleiben mußte, so beispielsweise
bei fertigen Häusern, die wie üblich ohne Einplaaung einer Sonnenkollektoranlage
gebaut wurden. Von besonderer Bedeutung ist aber, daß die vollständigere Sonnenstrahlenabsorption
des erfindungsgemäßen räumlichen Absorbers, abgesehen von der flächenbezogenen erhöhten
Energiemenge, insbesondere auch eine Energiegewinnung auf höherem Temperaturniveau
ermöglicht, was geringere Wärmespeichervolumina und geringeren Nachheizbedarf und
dementsprechend erweiterte Einsatzmöglichkeiten bedeutet.
-
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist der Wärmetauscher in den
räumlichen Absorber integriert. Eine solche durch die räumliche Auslegung des Absorbers
ermöglichte Bauweise führt nicht nur zu einem kompakten Absorberelement mit geschützt
angeordnetem
Wärmetauscher, insbesondere ergeben sich Vorteile für den Wärmetransport zum Wärmetauscher,
der gleichsam inmitten der Zone angeordnet ist, in der die Strahlungsenergie in
nutzbare Wärme umgewandelt wird. Daher kann die Wärme von allen Seiten zum Wärmetauscher
strömen, so daß zusätzliche Maßnahmen zum Verbessern des Wärmedurchgangs vom Absorber
zu Wärmetauscher entfallen können.
-
Für die Herstellung des erfindungsgemäßen räumlichen Absor bers mit
zerklüfteter Oberfläche kommen verschiedene Materialien und Naterialformen in Betracht.
Besonders zweckmäßig ist es Jedoch, wenn der Absorber von einem Schilttbett aus
kornförmigem Absorbermaterial gebildet ist. Binde Kornschiittung führt zu einem
zerklüftetem Schüttkörper, von dessen Oberfläche bzw. Oberseite Kanäle und Poren
ausgehen, die zwischen den einzelnen Körnern gebildet sind und in den Schüttkörper
eindringen. Ferner läßt sich ein Schiittbett aus kornförmigem Material insbesondere
bei flacher Bodennontage leicht an Montageort herstellen, wobei es auch sehr einfach
ist, nach Erreichen beispielsweise der halben Schnitt betthöhe einen Wärmetauscher
in Form einer sich im wesentlichen in einer Ebene erstreckenden Rohrschlange einzulegen.
-
Wird eine Rohrschlange auf diese Weise in einem Schiittbett angeordnet,
so ergibt sich allerdings ein nicht unbeachtlicher Wärmedurchgangswiderstand vom
Schüttbettmaterial zur Rohrschlange. Aus diesem Grunde ist es von Vorteil, wenn
das Absorbermaterial nahe der Wärmetauscheroberfläche feinkörniger bzw. dichter
geschüttet ist. Auf diese Weise wird der Wärmedurchgang im Bereich des engsten Wärmeleitquerschnitts
rings um die Rohrschlange verbessert.
-
Eine weitere Maßnahme zur Verbesserung der Wärmeübertragung vom kornförmigen
Absorbermaterial auf den Wärmetauscher besteht darin, das Absorberschüttbett teilweise
oder ganz mit Wasser aufzufüllen. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß
das
die Schüttbettporen und Kanäle ausfüllende Wasser die Wärmeleitung vom Schüttbettaaterial
zum Wärmetauscher verbessert. Jedoch kann im allgemeinen auf eine Flßssigkeitsfüllung
des Schüttbetts verzichtet werden, zumal die Flüssigkeit zusätzlich zur Isolierung
des Absorbers eine flüssigkeitsdichte Wanne erforderlich macht und Probleme durch
ein Beschlagen der sonnenseitig vor dem Absorber angeordneten wärmeisolierenden
Abdeckscheibe zu befürchten sind, deren Lösung einen zusätzlichen technischen Aufwand
erfordert. Auch würde eine Wasserfüllung dann zu Bchwierigkeiten führen, wenn der
erfindungsgemäße räumliche Absorber in besonderen Fällen doch in einer zum Erdboden
geneigten Lage auf die Sonne ausgerichtet werden soll.
-
Als in besonderen Maße geeignetes kornförmiges Absorbermaterial hat
sich Kohlenstoff-Koks erwiesen. Koks ist ein preiswertes Material, das bereits von
Natur aus schwarz ist und daher nicht zu den Zwecken der Erfindung zunächst eingefärbt
werden nuß. Der Koks läßt sich leicht in den benötigten torngrößen herstellen. Dabei
wirkt es sich wiederum vorteilhaft aus, daß das einzelne Koksstück selbst eine besonders
rauhe und porige Oberfläche aufweist, was die Absorptionseigen schaften zusätzlich
verbessert. Ferner hat Kohlenstoff (Graphit) eine hohe Wärmeleitzahl. Daher läßt
sich ein ausreichender Wärmeübergang vom Kohlenstoff-Koks zum Wärmetauscher auch
ohne Verwendung einer Wärmeträgerflüssigkeit erzielen, insbesondere wenn wie ausgeführt
die Wärmetauscherschlange in besonders feinkörnigem Graphit bzw. Kokssand eingebettet
ist.
-
Außer dem bevorzugt verwendeten Kohlenstoff-Koks können auch andere
Materialien -wie schwarz gefärbter Sand, Kies oder Geröll verwendet werden, die
billig zur Verfügung stehen. Auch könnte Kunststoffgranulat verwendet werden, insbesondere
wenn die Schiittung mit Wasser aufgefiillt wird.
-
Die Schüttbetthöhe kann variiert werden. Sie sollte aber mindestens
dem Doppelten der Höhe entsprechen, bei der ein Wirkungsquerschnitt von 100 * erreicht
wird, also ein direkter Strahlendurchgang gerade vollständig verhindert iat. Dementsprechend
muß bei größerer Korngröße des Absorbermaterials die Schüttbetthöhe ebenfalls größer
sein, was der Tatsache entspricht, daß bei6r6ßerer Korngröße die LichtstHahlen tiefer
in das Schnitt bett eindringen können. Bei einem Koksschüttbett kommt beispielsweise
eine Schfittbetthöhe zwischen dem 5- bis 10-fachen des mittleren Kokskorndurchmessers
in Betracht, was beispielsweise zu einer Schüttbetthöhe von ca. 20 cm führen kann.
Wird feinkörniger Kokssand oder Graphitstaub verwendet, so kann sich die Schüttbetthöhe
bis auf etwa 1 cm verringern. Es ist jedoch unschädlich, die Schüttbetthöhe über
das theoretisch erforderliche Mindestmaß hinaus zu erhöhen, beispielsweise um den
Wärmetauscher gut einbetten zu können.
-
Bei einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen räumlichen
Absorbers ist dieser von Absorberteilchen gebildet, die mit räumlicher Verteilung
in eine onnenlichtdurchlässigen Trägermedium angeordnet sind. Dabei kann das Trägermedium
eine Flüssigkeit sein, in der die Absorberteilchen suspendiert sind, oder aber das
Trägermedium kann ein Festkörper wie Glas sein, in das die Absorberteikhen eingelagert
sind. In beiden Fällen kann ebenfalls der Wärmetauscher in den räumlichen Absorber
integriert sein. Während bei Verwendung einer Flüssigkeit als Trägormedium ggf.
Maßnahmen getroffen werden müssen, um die Absorberteilchen in mehr oder minder gleichmäßiger
Verteilung in der Flüssigkeit in Schwebe zu halten, entfallen bei einem glasförmigen
Absorber entsprechend Vorkehrungen. Zwar ist die Herstellung eines solchen Absorbers
aufwendiger, dafür stellt jedoch der Absorber ein vorgefertiætes Bauelement dar,
das besonders einfach zu
montieren bzw. anzuschließen ist und bei
dem auch eine geneigte Anordnung in Ausrichtung auf die Sonne problemlos ist.
-
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Absorbere liegt darin,
daß er infolge seiner Räumlichkeit ein Volumen aufweist, das als Speicher wirken
kann. Dementsprechend ist vorgesehen, daß der räumliche Absorber zugleich den Wärmespeicher
bildet.
-
Dieses bedeutet eine wesentliche Vereinfachung der Vorrichtung, da
dann ein kompaktes Element den Absorber, den Wärmetauscher und den Wärmespeicher
umfaßt und ohne weitere Wärmetallscher direkt eingesetzt werden kann, indem es in
den Kaltwasserzulauf zum Verbraucher eingeschaltet wird. Damit kommt zur einfachen
Ausbildung auch ein besonders einfacher Anschluß an die Brauchwasser- bzw. Heizungswasserinstallation
hinzu.
-
Im Interesse einer ausreichenden Speicherkapazität kann die Absorberdicke
ggf. erhöht werden, was wie bereits ausgeführt ohne weiteres möglich ist. Auch die
bereits erwähnte Maßnahme, ein Absorberschüttbett mit Wasser aufzufüllen, kann zur
Erhöhung der Wärmespeicherkapazität beitragen. Jedoch hat der vorzugsweise als Schüttbettmaterial
vorgesehene Kohlenstoff-Koks bzw. Graphit bereits eine hohe Wärmekapazität, so daß
im allgemeinen im Interesse der Vereinfachung der Vorrichtung auf die Verwendung
einer besonderen Speicherflüssigkeit ganz verzichtet werden kann, zumal die vorzugsweise
im Absorberschüttbett untergebrachte Wärmetauscherschlange mit Wasser gefüllt ist,
das als Wärmespeicher wirksam ist. Es kann daher vorteilhaft sein, einen Wärmetauscher
mit großem Flüssigkeitsvolumen vorzusehen, also Rohrschlangen mit vergleichsweise
großem Innendurchmesser zu verwenden.
-
Bei einer weiteren Ausbildungsform der Erfindung kann der Absorber
von einer Vielzahl fester Einzelkörper aus einem mindestens teilweise lichtdurchlässigen
Material wie Glas gebildet sein, die eine sonnenseitige Stirnseite für den Strahleneinfall
aufweisen und unter Bildung des Wärmetauschers von
Flüssigkeit
umströmbar in einer Flüssigkeitskammer angeordnet sind. In diesem Falle bilden die
Einzelkörper bzw. Glaskörper den Absorber, in dem die Sonnenstrahlung in Wärme umgesetzt
wird. Dabei ergibt sich der im Sinne vollständiger Ausnutzung der einfallenden Sonnenstrahlung
liegende Vorteil, daß die Strahlen nicht mehr aus dem Glaskrper herausdringen, weil
sie an seinen Begrenzungsflächen im Sinne einer Totalreflexion zurückgespiegelt
werden. Dabei werden die Strahlen nach und nach innerhalb der Einzelkörper absorbiert.
Außerdem entfällt bei der vorgesehenen Anordnung der Einzelkörper in einer Flüssigkeitskammer
ein besonderer Wärmetauscher, da die in der Flüssigkeitskammer vorhandene, die Einzelkörper
im wesentlichen umschließende Flüssigkeit, die zugleich zur Erhöhung der Speicherkapazität
beiträgt, zum Wärmetransport zum Verbraucher umgewälzt werden kann.
-
Zweckmäßigerweise sind bei dieser Ausfiihrungsform die Einzelkörper
langgestreckt stangenförmig mit glatter Umfangsfläche ausgebildet und in paralleler
dichter Anordnung mit geringen Zwischenabständen in der Flüssigkeitskammer gelagert.
Dabei sind die Einzelkörper Lichtleitern vergleichbar, deren Länge die Tiefe des
räumlichen Absorbers bildet. Außerdem kann die verfügbare Grundfläche der Vorrichtung
zu einem hohen Prozentsatz als von der Summe der Einzelkbrperquerschnitte gebildete
Absorberfläche ausgenutzt werden. Im übrige.l wird außerhalb der Einzelkörper einfallendes
Sonnenlicht, das direkt auf die Flüssigkeit auftrifft, auh teilweise von dieser
absorbiert. Es kann daher auch im Interesse einer hohen Speicherfähigkeit auf eine
maximale Unterbrinung von Absorberqurschittsfläche innerhalb der Vorrichtungsquerschnittsfläche
verzichtet werden. Dabei kann der Durchmesser der Einzelkörper unter Berücksichtigung
ihrer Wärmeleitfähigkeit so gewählt werden, daß eine unzulässige Überhitzung der
Einzelkörper vermieden wird.
-
Um die Umsetzung der Strahlungsenergie in Wärme zu begünstigen, kann
das Einzelkörpermaterial gefärbt sein. Auch können in das Einzelkbrpermaterial Absorberteilchen
eingebettet sein.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer
schematischen Zeichnung näher erläutert.
-
Es zeigt: Fig. 1 in Draufsicht eine erste Ausführungsform eines Sonnenkollektorelements,
wobei der Anschluß an die Hauswasserinstallation angedeutet ist; Fig. 2 einen Schnitt
längs Linie II-II in Fig. 1; Fig. 3 eine andere Ausführungsform in einem Fig. 2
entsprechenden Schnitt; Fig. 4 eine wiederum andere Ausführungsform in einem Vertikalschnitt;
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform in einem Vertikalschnitt und Fig. 6 einen Horizontalschnitt
längs Linie VI-VI in Fig. 5.
-
Die Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 umfaßt ein Schüttbett 1, das
in eine Isolierwanne 2 aus Styropor eingefüllt ist, die auf ihrer Außenseite mit
einem Schutzblech 3 umgeben ist.
-
Gegebenenfalls kann auch ein Schutzmantel aus Kunststoff oder eine
flexible Schutzfolie vorgesehen sein. Am oberen Innenrand der Isolierwand 2 ist
eine Ausnehmung 4 vorgesehen, die den Rand einer das Schüttbett 1 überspannenden
Abdeckscheibe 5 aufnimmt. Die Abdeckscheibe 5 besteht aus sonnenlichtdurchlässigem
Glas und wirkt ebenfalls wärmeisolierend.
-
Zur Verbesserung der Wärmeisolierung kann die Abdeckscheibe 5 doppelwandig
mit zwischenliegendem Vakuum ausgebildet sein (Thermopane-Scheibe). Außerdem kann
die Abdeckscheibe 5 in bekannter Weise strahlenselektiv ausgebildet sein, so daß
sie zwar Sonnenlicht durchläßt, nicht jedoch die vom Schüttbett 1 auf Grund seiner
Temperatur ausgehende Wärmestrahlung.
-
Das Schutzblech 3 ist mit einem oberen Abschnitt 6 nach innen auf
den oberen Rand der Isolierwanne 2 und den Rand der Abdeckscheibe 5 umgebogen, wobei
eine Dichtleiste 7 zwischengefügt ist, die ein Eindringen von Regenwasser verhindern
soll.
-
Das Schüttbett 1 besteht aus Kohlenstoff-Koks (reiner Kohlenstoff),
der in die Isolierwanne 2 eingefüllt ist. Dabei sind drei Schichten gebildet, nämlich
eine untere Schicht 8 aus grobkörnigem Koks, eine mittlere Schicht 9 aus feinkörnigem
Kokssand, und eine obere Schicht 10 aus wiederum grobkörnigem
Koks.
In die Kokssandschicht 9 ist ein Wärmetauscher 12 eingebettet, der von einer spriralförmig
in einer Ebene gewickelten Rohrschlange gebildet ist, deren beide Enden nach oben
aus dem Schttbett 1 herausgeführt sind und sich seitlich unterhalb der Abdeckscheibe
5 bis zu zwei Anschlüssen 14 und 15 auf der Außenseite der Isolierwanne 2 bzw. des
Schutzblechs 3 erstrecken. Wie Fig. 1 erkennen läßt, erstreckt sich die Spiralwicklung
des Wärmetauschers 12 im wesentlichen über die gesamte etwa quadratische Grundrißfläche
des Schüttbetts 1.
-
In Fig. 1 ist angedeutet, wie der Sonnenkollektor auf einfache Weise
direkt an eine Kaltwasserleitung 16 angeschlossen werden kann, die zu einem Brenner
oder Durchlauferhitzer führt, von dem die Warmwasserleitung 18 zum Verbraucher führt.
Dazu wird in die Kaltwasserleitung 16 ein Dreiwegeventil 19 und ein benachbartes
T-StUck 20 eingebaut, dessen freier Anschluß zweckmäßigerweise noch mit einem Handabsperrventil
21 versehen ist, damit die Sonnenkollektorvorrichtung angeschlossen, abgeschaltet
und auch ausgebaut werden kann, ohne daß die Warmwasserversorgung außer Betrieb
genommen werden muß. Der Anschluß erfolgt dadurch, daß die beiden freien Anschlüsse
der Ventile 19 und 21 mit den Anschlüssen 14 bzw. 15 am Sonnenkollektor verbunden
werden. Dazu können fest verlegte Rohre 23 und 24 oder aber auch einfech Schläuche
verwendet werden. In diesem Fall kann der Sonnenkollektor ortsveränderlich insbesondere
auf dem Erdboden aufgestellt und ggf. beiseite geschafft werden, falls während einer
längeren Zeitspanne die Sonnenenergienutzung unterbleiben soll.
-
Bei der Herstellung des Sonnenkollektors kann dieser mit solchen Abmessungen
versehen werden, daß er ein Gewicht erhält, bei dem er noch versetzt bzw. transportiert
werden kann.
-
Dabei ist dann die Isolierwanne 2 mit einem nicht dargestellten Versteifungsrahmen
zu versehen, mit dem nach außen ragende Tragstücke verbindbar sind. Bei derartigen
tragbaren Sonnenkollektoren
müssen gegebenenfalls zwei oder mehrere
Kollektoren verwendet werden, damit die gewünschte Sonnenenergiemenge nutzbar gemacht
werden kann. Dabei können die einzelnen Kollektorelemente parallel oder hintereinander
geschaltet werden. Es ergibt sich ferner die Möglichkeit, für getrennte Verbraucher,
insbesondere für den Warmwasserbedarf einerseits und für den Heizbedarf andererseits,
getrennte. Anlagen mit jeweils einem eigenen Sonnenkollektor vorzusehen.
-
Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 umfaßt wie die vorbeschrlebene Ausfiihrungsform
ein Schüttbett 31, eine Isolierwanne 32, ein äußeres Schutzblech 33 und eine Abdeckscheibe
35. Abweichend ist die Isolierwanne 32 mit einer wasserdichten Auskleidung 36 versehen,
die etwa in mittlerer Höhe einen Rost 37 trägt, der auch durch eine Lochplatte ersetzt
werden kann.
-
Das Schttbett 31 Liegt auf dem Rost 37 auf, und in den das Schüttbett
31 bildenden Kohlenstoff-Koks ist wiederum ein Wärmetauscher 38 eingebettet, der
aus Kupferrohr gewickelt ist und zwei nicht dargestellte Anschliisse aufweist. Der
Sohlenstoff-Koks des Schüttbetts 31 ist im übrigen nicht nach unterschiedlichen
Korngrößen geschichtet.
-
Unterhalb des Rosts 37 ist eine Kammer 40 vorhanden, in der ein zweiter
aus Kupferrohr gewickelter Wärmeaustauscher 41 angeordnet ist, der ebenfalls mit
zwei nicht dargestellten Anschlüssen auf der Außenseite des Schutzblechs 33 versehen
ist. Die Kammer 40 ist wie angedeutet mit Wasser gefüllt, das mit seiner Wärmespeich(rkapazität
die Speicherkapazität des Schüttbettkokses ergänzt.
-
Die Standhohe des Wassers innerhalb der Isolierwanne 32 kann ber den
Rost 37 hinausgehen, so daß gegebenenfalls auch der Wärmetauscher 38 in Wasser untergetaucht
ist, was den WEirmeiibergang vom Schjjttbett 31 zum Wärmetauscher 38 verbessern
Kant. TJm m t Standhöhe des Wassers in der lsolierwanne 32
den
jeweiligen Gegebenheiten anpassen zu können, sind ein Wassereinfüllstutzen 43 und
ein mit einem Absperrventil 44 versehener Ablaufstutzen 45 vorgesehen, die sich
durch die Wand der Isolierwanne 32 erstrecken. An den Ablaufstutzen 45 ist ein senkrechtes
Klarsichtrohr 46 angeschlossen, das sich auf der Außenseite der Isolierwanne 32
hinter einem senkrechten Längsschlitz im Schutzblech 33 erstreckt und einen Füllstandanzeiger
bildet, der ggf. mit Markierungen versehen sein kann, welche die Höhenlage der beiden
Wärmetauscher 38 und 41 sowie des Rostes 37 des Schüttbetts 31 kennzeichnen. Das
obere Ende des Rohrs 46 ist nach außen abgebogen und bildet einen Überlauf. Bei
dieser Ausbildung läßt sich die jeweils optimale Wasserfüllung leicht feststellen
und einhalten. Gegebenenfalls kann auch ganz ohne Wasserfüllung gearbeitet werden.
In diesem Falle wäre es jedoch zweckmäßig, beide Wärmetauscher 38 und 41, die parallel
oder in Reihe geschaltet werden können, innerhalb des Schüttbetts 31 zu verlegen
bzw. auf den Rost 37 ganz zu verzichten und eventuell entsprechend Fig. 2 die Wärmetauscherrohre
in feinkörnigerem Kokssand einzubetten.
-
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist anstelle eines Schüttbetts
ein sonnenlichtdurchlässiger Glaskörper 51 vorgesehen, der in einer Isolierwanne
52 mit einem äußeren Schutzblech 53 angeordnet ist. Die Isolierwanne 52 mit dem
Glaskörper 51 ist durch eine Abdeckscheibe 55 abgedeckt.
-
In den an sich lichtdurchlässigen Glaskörper 51 sind dunkelfarbene
Absorberteilchen 56 eingelagert. Die Verteilung der Absorberteilchen 56 kann gleichmäßig
sein, oder aber es sind Schichten mit unterschidlicher Absorberteilchendichte vorgesehen,
wobei vorzugsweise die Teilchendichte von der Oberseite zur Unterseite des Glaskõrpers
51 zunimmt.
-
In den Glaskörper 51 ist ei rohrförmiger Wärmetauscher 57
eingebettet.
Dabei kann es sich um eine spiralförmige Wicklung gemäß Fig. 1 oder aber um eine
Anordnung aus parallelen Rohrstücken handeln, die an ihren Enden mit einer quer
verlaufenden Verteilerleitung bzw. einer querverlaufenden Sammlerleitung verbunden
sind, die zu Anschlußstücken 58 führen, von denen im Schnittbild der Fig. 4 nur
das hintere Anschlußstück zu erkennen ist. Das zweite Anschlußstück kann gegebenenfalls
an der dem ersten Anschlußstück 58 gegenüberliegenden Seite der Isolierwanne 52
angeordnet sein, damit alle parallel angeordneten Rohrstücke gleichmäßig durchströmt
werden.
-
Wegen der vergleichsweise schlechten Wärmeleitfähigkeit und Wärmespeicherfähigkeit
von Glas kann es insbesondere bei dieser Ausführungsforin zweckmäßig sein, mit einem
externen Wärmespeicher zu arbeiten, an den der Wärmetauscher 57 angeschlossen ist,
der dann verbrauchsunabhängig ständig durchströmt wird, soweit nicht die Umwälzung
zur Vermeidung einer Überhitzung der Speicherflüssigkeit abgeschaltet wird.
-
Bei der Ausftlhrungsform gemäß Fig. 5 und 6 sind eine Vielzahl von
Glasstäben 61 in paralleler senkrechter Anordnung in einer Isolierwanne 62 mit einem
äußeren Schutzblech 63 angeordnet. Die Isolierwanne 62 ist durch eine Abdeckscheibe
65 abgedeckt. Die Isolierwanne 62 ist ferner mit einer wasserdichten Auskleidung
66 versehen. Auf dem Wannenboden liegt eine Lagerplatte 67 mit Bohrungen auf, in
welche die Glas stäbe 61 eingepaßt sind. Bei größerer Länge der Glasstäbe 61 kann
es zur Sicherung der parallelen Lage der Glasstäbe erforderlich sein, diese auch
im Abstand von ihrem unteren Ende zu lagern bzw. durch Distanzstücke in gegenseitigem
Abstand zu halten. Innerhalb der Wanne 62 ist eine die Glasstäbe 61 aufnehmende
Kammer 68 gebildet, die im wesentlichen mit Wasser gefüllt ist, wobei der Wasserspiegel
69
nur geringfügig unterhalb der oberen Stirnseiten 70 der Glasstäbe
61 angeordnet ist. Durch die Wand der Isolierwanne erstrecken sich ein Kaltwasser-Zulaufrohr
72 und ein Warmwasser-Abzugrohr 73 mit Anschlfissen 74 bzw. 75, die beispielsweise
wie die Anschlüsse 14 und 15 in Fig. 1 mit dem Verbraucher verbunden werden können.
Zur vollständigen gleichmäßigen Durchströmung der Flüssigkeitskammer 68 ist diese
gemäß Fig. 6 langgestreckt ausgebildet, wobei die Rohre 72 und 73 an gegenüberliegenden
Stirnseiten der Flüssigkeitskammer 68 in diese einmnden, und zwar das Kaltwasser-Zulaufrohr
72 im unteren und das Warmwasser-Abzugrohr 73 im oberen Bereich der Kammer.
-
Wie aus Fig. 6 zu ersehen, sind die Glasstäbe 61 in einem reelmäßigen
Muster angeordnet. Dabei kann die Anordnung der Glasstäbe 61, die aus mehr oder
minder dunkel gefärbtem Glas bestehen und/oder Einlagerungen von dunkelfarbenen
Absorberteilchen aufweisen, wesentlich dichter als dargestellt sein, wobei jedoch
im Interesse einer guten Wärmeleitung von den Glasstäben 61 in die Flüssigkeit der
Kammer 68 gegenseitige Berhrungen der Stäbe und Berfihrungen mit der Auskleidung
66 zu vermeiden sind.
-
- Ansprüche -
Leerseite