DE2826202C2

DE2826202C2 - Einrichtung zur Gewinnung von Wärme in einem Teilbereich des Spektrums der Sonnenstrahlung

Info

Publication number: DE2826202C2
Application number: DE2826202A
Authority: DE
Inventors: Werner Olten Heierli
Original assignee: HELIOTHERM AG BASEL CH
Current assignee: HELIOTHERM AG BASEL CH
Priority date: 1977-11-18
Filing date: 1978-06-15
Publication date: 1982-11-04
Also published as: BE871940A; DD140163A1; ATA472578A; DE2826202A1; FR2409466A1; US4278075A; NL7811386A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Gewinnung von Wärme in einem Teilbereich des Spektrums der Sonnenstrahlung zwischen 325 und 800 nm Wellenlänge mittels eines für die Strahlung durchlässigen Hohlkörpers, der von einer Flüssigkeit durchströmt wird, der Farbpigmente in löslicher Form oder feinster Verteilung beigegeben sind und die in dem ausgewählten Teilbereich selektiv absorbiert und die gewonnene Wärme in einem geschlossenen Kreislauf ab- und in einen Speicher überführt. so

Für Gewächshäuser werden bekanntlich erhebliche Licht- und Wärmemengen benötigt, wobei im Tagesablauf die Energienachfrage nicht mit dem Energieangebot zusammenfällt. Infolgedessen ist die Temperaturhaltung in einem Gewächshaus außerordentlich schlecht: An warmen bis heißen Tagen müssen Gewächshäuser herkömmlicher Bauart mit mechanischen Mitteln beschattet werden, wodurch das gesamte Lichtspektrum reduziert wird; damit werden den Pflanzen für die Photosynthese wichtige Teilbereiche des Spektrums entzogen. An kühlen Tagen und in den Nächten ist die Wärmeisolation der Gewächshäuserverglasung ungenügend.

Ähnliches gilt für Hallenschwimmbäder und Sporthallen; hier spielen Tageslicht mäßiger Helligkeit und eine gleichmäßige Klimatisierung für das menschliche Wohlbefinden eine erhebliche Rolle.

Freischwimmbäder können in europäischen Breiten

ohne Beheizung nur einen kurzen Teil des Tages benützt werden. Würde man herkömmliche Kollektoren zur Gewinnung von Wärme aus der Sonnenstrahlung aufstellen, wären hierfür erhebiiche Freilandflächen erforderlich, die anderer Nutzung entzogen wären.

Es handelt sich also allgemein um Fälle, bei denen das Sonnenlicht auf mehrfache Weise genützt werden soll bzw. neben der Energiegewinnung noch anderen Nutzungsmöglichkeiten erhalten bleiben soll.

In der DE-OS 25 22 791 sind ein Verfahren und eine Einrichtung beschrieben, bei dem bzw. der zur Klimatisierung von Gewächshäusern eine mindestens teilweise transparente Bedachung aus mit einem flüssigen Wärmeträger gefüllten Flachkollektoren verwendet wird, mit denen das einfallende Sonnenlicht im nahen Infrarotbereich oberhalb 600 nm durch selektive Absorption ausgefiltert werden soll. Die so tagsüber gewonnene Wärme kann von dem Wärmeträger in den Speicher überführt und des Nachts zur Temperierung des Rauminneren genutzt werden.

Gemäß deutscher Offenlegungsschrift 26 08 302 soll nur der für die Wärmestrahlung wesentliche Bereich der Strahlung ab 800 nm — also erst oberhalb der in der Offenlegungsschrift 25 22 791 genannten Schwelle — bis weit in den nicht mehr sichtbaren IR-Bereich hinein absorbiert werden mit »dunkel gefärbtem Wasser«, öl oder einer Emulsion. Eine selektive Absorption nach einem vorgegebenen Dämpfungsverlauf sowie dazu möglicherweise geeigneter Farbstoffe sind dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.

Bei dem Sonnenkollektor gemäß Offenlegungsschrift 26 17 324 dient »partikulares oder faseriges Material« als Energieabsorber ohne Selektionswirkung. Den Energietranport übernimmt eine die Füllung (Kollektorzone) und eine darüberliegende Schicht (Strömungszone) durchströmende Flüssigkeit.

Die photothermische Energiegewinnung im Niedertemperaturbereich ist nur dann in wirtschaftlich vertretbarem Umfang einsatzfähig, wenn die hierfür benötigten Einrichtungen preisgünstig herzustellen und einzubauen sind. Dabei spielt die Materialpaarung zwischen den Werkstoffen der Kollektoren und der Flüssigkeit eine entscheidende Rolle. Soweit in den genannten Druckschriften hierzu Angaben enthalten sind, sind diese für den praktischen Einsatz unzureichend bzw. ungeeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem Fachmann alle technischen Parametei an die Hand zu geben, die es ihm ermöglichen, die gewünschte Selektivität der Absorption mit einfachen Mitteln einzustellen und eine dauerhaft funktionsfähige Einrichtung zur Gewinnung von Wärme in vorzugsweise mehr als einem Teilbereich des Spektrums der Sonnenstrahlung zu schaffen.

Dazu ist bei der eingangs genannten Einrichtung erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Farbpigmente aus einem organischen Rotfarbstoff, z. B. Bordeaux-Rot, oder aus einem anorganischen Rotfarbstoff, z. B. einem Derivat des Eisenoxids (Fe^), und/oder aus einem organischen Grünfarbstoff, z. B. einer Chlorophyll-Extraktion, und/oder aus einem organischen Blaufarbstoff, und/oder aus einem organischen Violettfarbstoff, deren Konzentration und Mischungsverhältnis auf den im Durchlaßbereich vorgegebenen Spektralverlauf bestmöglich eingestellt ist, bestehen. Auf diese Weise ist es möglich, zugleich die biologischen Funktionen und die Energie des Tages- bzw. Sonnenlichts zu nutzen. Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung sind

Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. In dieser Zeichnung zeigt

F i g. 1 schematisch einen Querschnitt und Teil-Längsschnitt durch einen selektiv strahlungsdjrchlässigen Flachkollektor;

F i g. 2 die Kurven des für die Photosynthese nötigen Lichtspektrums und ihre Annäherung durch einen Versuchskollektor;

Fig.3 die Kurven des dem menschlichen Auge sichtbaren Lichtspektrums und ihre Annäherung durch einen Versuchskollektor.

Der Flachkollektor nach F i g. 1 besteht auf seiner Unterseite aus einer scheibenförmigen hohlen Absorberplatte 1 und auf seiner Oberseite aus einer Deckplatte 3, die beide in einem Rahmen 4 aus einem Strangpreßprofil aus Kunststoff oder Leichtmetall gehalten sind und zwischen sich einen Raum 2 einschließen, der üblicherweise mit Luft gefüllt ist, aber auch mit einem die IR-Strahlung hemmenden Gas gefüllt oder evakuiert sein kann.

Die Deckplatte 3 kann aus Glas, Polycarbonat o. dgL bestehen und als Flach- oder Profilplatte ausgebildet sein und muß Winddrücke, bei Evakuierung des Raumes 2 auch den äußeren Luftdruck aufnehmen und Schneelasten tragen können. Als Profilplatte kann sie nach optischen Gesetzen in Längs- und/oder Querrichtung profiliert sein, um den im Tagesverlauf sich ändernden Lichteinfallwinkel zu korrigieren und somit den photothermischen Effekt zu steigern.

Die Absorberplatte 1 wird aus einem strahlun^sdurchlässigen, temperatur- und alterungsbeständigen, chemisch resistenten Kunststoff im Strangpreßverfahren hergestellt. Insbesondere besitzt Polycarbonat alle geforderten Eigenschaften, wie Kälte- und Hitzebeständigkeit, Lichtdurchlässigkeit im sichtbaren und näheren UV-Bereich, realisierbare Oberflächengüte, extrem hohe Lebensdauer bei Kontakt mit Wasser und/oder hohen Luftfeuchtigkeiten. Gemäß F i g. 1 ist die Absorberplatte 1 als flacher, quaderförmiger Hohlkörper ausgebildet, der in seinem Inneren durch zu einer Randseite parallel verlaufende, seine Ober- und Unterseite verbindende Stege in mehrere längliche Kammern 1.2 unterteilt ist, die an den beiden Stirnseiten des Hohlkörpers über rohrförmige Anschlußstücke miteinander kommunizieren. Über diese (nicht dargestellten) Anschlußstücke ist der Flachkollektor bzw. seine Absorberplatte 1 an den äußeren Flüssigkeitskreislauf angeschlossen; sie bestehen ebenfalls aus Kunststoff, vorzugsweise Polycarbonat, und haben die Aufgabe, die Zirkulation des Mediums über die ganze Plattenbreite derart zu verteilen, daß in der Platte über die ganze Fläche regelmäßige Strömungsverhältnisse herrschen. Auf Schrägdächern wird der Flaclikollektor so eingebaut, daß die Kammern 1.2 in der Fallinie verlaufen, um durch die Thermik der durch die Einstrahlung erwärmten Flüssigkeit in Verbindung mit dem Durchflußwiderstand eine möglichst lineare Fließgeschwindigkeit über die ganze Plattenbreite zu erreichen.

Anwendungsbeispiel 1

In das Diagramm der F i g. 2 ist gestrichelt die Kurve des Lichtspektrums eingetragen, das von der Pflanze für die Photosynthese benötigt wird.

Diese Kurve läßt sich als Filterkurve einer selektiv absorbierenden Flüssigkeit in der Absorberplatte des Rachkollektors herstellen mittels einer Mischung aus reinen Grundfarben, z. B.

1 Teil eines organischen Grünfarbstoffes, z. B. als

Chlorophyll-Extraktion,

4 Teile eines organischen Rotfarbstoffes, z. B. in Form von Bordeaux-Rot,

2 Teile eines organischen Blaufarbstoffcs.

Diese im Handel erhältlichen Farbstoffe werden in bekannter Weise feinstgemahlen und antistatisch gemacht; stark hygroskopische Farbstoffe werden gegen Agglomeratbildung behandelt

Die ausgezogene Kurve in F i g. 2 zeigt die spektrale Durchlässigkeitsverteilung, die bis 700 nm in sehr guter Übereinstimmung mit der Spektralkurve der Photosynthese ist. Der so präparierte Flachkollektor erlaubt die Transmission aller für die Photosynthese der Pflanzen erforderlichen Teilspektren, während aile übrigen absorbiert, in Wärme verwandelt und über die Kollektorflüssigkeit einem Speicher zugeführt werden können, aus dem die Energie nach zeitlichem Bedarf abgerufen werden kann. Das für die Photosynthese von den Pflanzen benötigte Licht umfaßt ca. 30% des gesamten einfallenden Lichtspektrums, 70% können also ohne wesentliche Investitionen in Wärme umgewandelt und zur Beheizung der Gewächs- und Treibhäuser nutzbar gemacht werden. Der in den Sommermonaten anfallende Überschuß kann nachts wieder über die Kollektoren abgestrahlt werden oder zur Beheizung von Freiland Verwendung finden.

Die Flachkollektoren können mit geringstem Aufwand unter bestehende Gewächshaus-Glasdächer montiert oder als Module direkt in die Baukonstruktion eingegliedert werden. Da sie zudem einen sehr niedrigen Wärmeleitwert haben, wird die Sonnenergie für diesen Zweck auf wirtschaftlichste Weise genutzt.

Anwendungsbeispiel 2

In das Diagramm der F i g. 3 ist gestrichelt das für das Auge sichtbare Teilspektrum innerhalb der Strahlung zwischen 325 und 800 nm eingetragen. Dieses Spektrum wurde in guter Annäherung bis 630 nm nachgebildet mittels einer Flüssigkeit, der Farbpigmente zugesetzt waren in einer Mischung von z. B.

2 Teile eines anorganischen Rotfarbstoffes, z. B. als Derivat des Eisenoxids,

4 Teile eines organischen Grünfarbstoffes,

9 Teile eines organischen Blaufarbstoffes und

5 Teile eines organischen Violettfarbstoffes.

Das vom menschlichen Auge gesehene Licht überdeckt ca. 35% des gesamten Spektrums. 65% können also als Wärme gewonnen werden. Sie werden im Falle eines Freischwimmbades über den Flüssigkeitskreislauf direkt oder über einen Speicher zugeführt. Die Flachkollektoren können zu diesem Zweck als freitragende Dächer über Liegeplätzen usw. aufgestellt werden. Eine solche Abdeckung absorbiert die UV-Einstrahlung und reduziert die Überhitzung des Körpers und verhindert Sonnenbrand.

Di; gleichen Flachkollektoren können auch für Hallenschwimmbäder, Sporthallen u. dgl. verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Gewinnung von Wärme in einem Teilbereich des Spektrums der Sonnenstrahlung zwischen 325 und 800 nm Weilenlänge mittels eines für die Strahlung durchlässigen Hohlkörpers, der von einer Flüssigkeit durchströmt wird, der Farbpigmente in löslicher Form oder feinster Verteilung beigegeben sind und die in dem ausgewählten Teilbereich selektiv absorbiert und die gewonnene Wärme in einem geschlossenen Kreislauf ab- und in einen Speicher überführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbpigmente aus einem organischen Rotfarbstoff, z. B. Bordeaux-Rot, oder aus einem anorganischen Rotfarbstoff, z. B. einem Derivat des Eisenoxids (Fe₂O₃), und/oder aus einem organischen Grünfarbstoff, z. B. einer Chlorophyll-Extraktion, und/oder aus einem organischen Biaufarbstoff, und/oder aus einem organischen Violettfarbstoff, deren Konzentration und Mischungsverhältnis auf den im Durchlaßbereich vorgegebenen Spektralverlauf bestmöglich eingestellt ist, bestehen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbpigmentmischung aus 1 Teil eines organischen Grünfarbstoffes, z. B. als Chlorophyll-Extraktion, 4 Teilen eines organischen Rotfarbstoffes, z. B. in Form von Bordeaux-Rot, 2 Teilen eines organischen Blaufarbstoffes besteht

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbpigmentmischung aus 2 Teilen eines anorganischen Rotfarbstoffes, z. B. als Derivat des Eisenoxids, 4 Teilen eines organischen Grünfarbstoffes, 9 Teilen eines organischen Blaufarbstoffes und 5 Teilen eines organischen Violettfarbstoffes besteht.