DE2835196A1

DE2835196A1 - Heizgeraet zur ausnutzung von sonnenenergie

Info

Publication number: DE2835196A1
Application number: DE19782835196
Authority: DE
Inventors: Victor J Page
Original assignee: Evaporation & Solar Heating
Current assignee: Evaporation & Solar Heating
Priority date: 1977-08-12
Filing date: 1978-08-11
Publication date: 1979-02-22
Also published as: JPS5435433A; US4249515A

Description

DIPL.-PHYS. JÜRGEN WEISSE DIPL.-CHEM. DR. RUDOLF WOLGAST

D 562o Velbert 11 - Langenberg, Bökenbusch 41 Postfach 11 o3 86 Telefon (o2127) 4ol9 Telex 8516895

Patentanmeldung

Evaporation and Solar Heating Limited, 3 Duke of York Street St. Jame's, London, SWIY 6JS, England

Heizgerät zur Ausnutzung von Sonnenenergie

Die Erfindung betrifft ein Heizgerät zur Ausnutzung von Sonnenenergie enthaltend Mittel zum Konzentrieren der darauffallenden Sonnenenergie auf einer Absorptionsstation, einen Absorber, der an dieser Absorptionsstation angeordnet und zur Absorption der darauf konzentrierten Sonnenenergie eingerichtet ist, und einem Kanal, der mit dem Absorber in Wärmeaustausch steht"und durch welchen ein Druckmittel hindurchleitbar ist, welches durch die auf den Absorber fallende Sonnenenergie aufgeheizt wird.

Bekannte Heizgeräte dieser Art, bei denen eine zu heizende Flüssigkeit nur durch einen Kanal geleitet wird, der mit dem Absorber in Wärmeaustausch steht, haben den Nachteil, daß ein Teil der auf die energiekonzentrierenden Mittel fallenden Sonnenenergie von diesen letzteren absorbiert und als Wärme in die Umgebung abgeleitet wird. Das beeinträchtigt den Wirkungsgrad solcher Heizgeräte.

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Der Erfindung liegt demgegenüber die. Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad von Heizgeräten der Eingangs definierten Art zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein weiterer Kanal mit den energiekonzentrierenden Mitteln in Wärmeaustausch steht und dem mit dem Absorber in Wärmeaustausch stehenden Kanal vorgeschaltet ist, so daß das aufzuheizende Druckmittel in dem weiteren Kanal vorerwärmt wird, bevor die Hauptwärmung in dem mit dem Absorber in Wärmeaustausch stehenden Kanal erfolgt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines

erfindungsgemäßen Heizgerätes zur Ausnutzung von Sonnenenergie.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines

erfindungsgemäßen Heizgeräts von Fig. 1, welches zur Meerwasserentsalzung geeignet ist.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer

Ausführungsform, bei welcher das Heizgerät nach Fig. 2 beweglich angeordnet ist.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform bei welcher das Heizgerät beweglich ist.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines Verdampfers in einem Heizgerät nach der vorliegenden Erfindung.

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Das Heizgerät 1 zur Ausnutzung von Sonnenenergie enthält, wie in Fig. 1 dargestellt ist, eine parabolische Schale 2 mit einer inneren konkaven, die Sonnenenergie reflektierenden Oberfläche

3 und einer äußeren konvexen Oberfläche 4. Die Schale 2 ist mit einem Kanal 5 versehen, der sich zwischen den Oberflächen 3 und

4 erstreckt und der in Draufsicht spiralförmige Gestalt hat. Ein oberer Endteil des Kanals 5 liegt in der Nähe des Randes der Schale 2, und ein gegenüberliegender unterer Endteil des Kanals endet in einem Durchbruch 6 in der Mitte der konkaven Oberfläche 3. Der obere Endteil des Kanals steht in Verbindung mit einem Einlaß 7, der radial zu der Schale 2 auswärts verläuft.

In der Schale 2 ist oberhalb des Durchbruchs 6 der reflektierenden Oberfläche 3 ein Verdampfer vorgesehen, bestehend aus einem Rohr, welches zu einer kegelstumpfförmigen Wendel gewickelt ist, die sich nach unten zu verjüngt, und zu einem abgeflachten unteren Endteil von vermindertem Durchmesser. Benachbarte Teile von Windungen der Wendel können in Kontakt miteinander sein. Ein unteres Ende des die Wendel bildenden Rohre ist an der konkaven Oberfläche 3 der Schale 2 befestigt und steht mit dem Kanal 5 durch den Durchbruch 6 hindurch in Verbindung. Ein oberer Endteil des Rohres erstreckt sich radial zu der Schale 2 durch einen Durchbruch 6¹ in der Schale 2. Das Rohr kann aus schwarzem Kunstgummi hergestellt sein, wie er unter dem Warenzeichen "Viton A" vertrieben wird. Am Umfang der Schale 2 ist eine Glasplatte 9 befestigt, durch welche ein von der reflektierenden Oberfläche 3 begrenzter Raum abgeschlossen wird. Die äußere Oberfläche 4 der Schale 2 ist schwarz gefärbt und ist von einer (nicht dargestellten) Isolierschicht umgeben, welche vorzugsweise aus gestrecktem Polystyrol besteht.

Die Scheibe kann aus zwei konzentrischen Materialschalen bestehen, die zum Aufkleben oder Aufbringen einer treflektierenden Oberfläche geeignet sind. Die Materialschalen sind durch eine langgestreckte Dichtwulst voneinander getrennt, die zu

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einer Spiralform aufgewickelt erscheint, wenn die Schale 2 in Draufsicht betrachtet wird. Die benachbarten Windungen der aufgewickelten Dichtwulst liegen im Abstand voneinander, so daß dazwischen der Kanal 5 gebildet wird.

Im Betrieb wird Wasser über den Einlaß 7 zugeführt und tritt in den Kanal 5. Sonnenenergie, die auf die reflektierende Oberfläche 3 auftrifft, ist durch die Strahlen A,B,C,D und E angedeutet. Die Strahlen verlaufen parallel zueinander und senkrecht zu der Glasscheibe 9. Die Strahlen A,B und C treffen auf die reflektierende Oberfläche 3 auf und werden auf den Brennpunkt der parabolischen Oberfläche 3 gelenkt. Es wird jedoch nicht die gesamte Energie an der Oberfläche 3 reflektiert, und der Anteil der einfallenden Energie, der von der Oberfläche 3 absorbiert wird, erhöht die Temperatur der Oberfläche. Das führt dazu, daß das Wasser in dem Kanal 5 ebenfalls erwärmt wird. Das vorerwärmte Wasser in dem Kanal 5 tritt dann in das den Verdampfer 8 bildende Rohr ein.

Die an der Oberfläche 3 reflektierten Strahlen erreichen nicht den Brennpunkt, da sie von der Außenfläche des Verdampfers aufgefangen werden. Sie sind auf diese Oberfläche konzentriert. Die auf die Oberfläche von der reflektierenden Oberfläche 3 einfallende Strahlung wird von dem Verdampfer 8 absorbiert und erzeugt Warme. Dadurch wird die Temperatur des vorerwärmten Wassers, welches dem Verdampfer 8 von dem Kanal 5 zugeführt wird, erhöht. Es tritt eine Verdampfung des Wassers in dem Verdampfer auf. Die Strahlen D und E treffen auf die Innenfläche des Verdampfers 8 und heizen in ähnlicher Weise das vorerwärmte Wasser in dem Verdampfer.

Vorzugsweise ist der Flächeninhalt der reflektierenden Oberfläche 3 und der Flächeninhalt der Außenfläche des Verdampfers 8 so gewählt, daß die Verstärkung der auf die reflektierende Oberfläche 3 fallenden Sonnenenergie verglichen mit der Sonnenenergie, die nach Reflexion an der reflektierenden

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Oberfläche 3 auf die Außenfläche des Verdampfers 8 fällt, 4:1 ist, wie schematisch zwischen den Strahlen A und B dargestellt ist.

Die Glasplatte 9 vermeidet Zugluft innerhalb des von der reflektierenden Oberfläche 3 begrenzten und von der Glasplatte abgedeckten Raumes. Der eingeschlossene Raum wird somit auf einer hohen Temperatur gehalten und ist gegenüber äußeren Einflüssen, beispielsweise der Umgebungstemperatur, isoliert.

Mit dem Heizgerät 1 zur Ausnutzung von Sonnenenergie werden somit Wärmeverluste infolge der Absorption der Sonnenenergie an der reflektierenden Oberfläche 3 auf ein Minimum reduziert. Die auf die Glasplatte 9 fallende Infrarotstrahlung wird voll ausgenutzt. Da weiterhin der Verdampfer 8 aus einem Rohr gebildet ist, welches eine Wendel von kegelstumpfförmiger Gestalt bildet, bei welcher benachbarten Windungsteile der Wendel in Kontakt miteinander sind, sind die Innen- und Außenflächen der konischen Form gewellt, wodurch sich eine um 50% größere Heizfläche ergibt als dies der Fall sein würde, wenn die Flächeninhalte der Innen- und Außenfläche des Verdampfers nicht durch Wellungen vergrößert worden wären.

Das Heizgerät kann auf einem Kugelgelenk mit Klemmvorrichtung X abgestützt sein, so daß das Gerät bewegt werden kann, um die Sonne zu verfolgen.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist ein parabolisches Heizgerät ähnlich der Vorrichtung 1, das dort mit 10 bezeichnet ist, zur Verwendung als Entsalzungsanlage eingerichtet. Das Heizgerät 10 enthält einen Verdampfer 1J mit einem Einlaßrohr 12 und einem Auslaßrohr 13. Das Einlaßrohr 12 ist mit einem Auslaß 14 einer Pumpe 15 verbunden. Die Pumpe 15 hat eine Einlaßleitung 16, die in das Meerwasser 17 eingetaucht werden kann. Die Auslaßleitung 13 des Verdampfers 11 ist mit einem Einlaß 18 eines Kühlers 19 verbunden, der einen Auslaß 20 besitzt.

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Im Betrieb wird ein Teil der Einlaßleitung 16 der Pumpe 15 in das Meerwasser 17 eingetaucht, und die Pumpe saugt das Meerwasser durch die Einlaßleitung 16 zu der Pumpe und fördert das Meerwasser von der Pumpe zu dem Verdampfer 11. Das Meerwasser wird dann durch die Sonnenenergie verdampft, die auf den Verdampfer 11 konzentriert ist. Dementsprechend wird Wasserdampf abgeblasen, während das Salz in dem Verdampfer in Lösung bleibt. Der Dampf tritt durch das Auslaßrohr 13 zu dem Kühler 19, wo er kondensiert wird und den Kühler durch den Auslaß 20 als gereinigtes Wasser verläßt.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, ist das Heizgerät 10 auf einem beweglichen Träger 21 gehaltert. Der bewegliche Träger enthält eine untere, kreisförmige Platte 22, deren Oberseite zur Aufnahme von Lagerkugeln 23 eingerichtet ist und deren Unterseite an einem feststehenden Träger 24 befestigt ist. Eine obere kreisförmige Platte 25 ist an der Unterseite zur Aufnahme der Lagerkugeln 23 eingerichtet, so daß die obere kreisförmige Platte relativ zu der unteren kreisförmigen Platte 22 verdrehbar ist. Die obere kreisförmige Platte 25 hat eine Oberseite, die mit Ausnehmungen 26 versehen ist, welche sphärische Glieder 27 enthalten. Das Heizgerät 10 ist auf den spährischen Gliedern 27 abgestützt.

Die obere kreisförmige Platte 25 weist eine Umfangsverzahnung 28 auf. Die Umfangsverzahnung 28 ist in Eingriff mit einer Schnecke 29, die an einer Welle 30 befestigt ist. Die Welle·30 wird von einem Steuermechanismus 31 so verdreht, daß die obere kreisförmige Platte 25 und somit das Heizgerät sich nach Maßgabe der der täglichen Bewegung der Erde relativ zur Sonne dreht. Ein weiterer (nicht dargestellter) Mechanismus, der auch von dem Steuermechanismus gesteuert ist, bewirkt eine Bewegung des Heizgeräts 10 relativ zu der oberen kreisförmigen Platte 25 so, daß die reflektierende Oberfläche nach Maßgabe der Deklination der Sonne relativ zur Lage des feststehenden Trägers 24 eingestellt werden kann.

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Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 ist ein Tank 32 vorgesehen, der mit einer Flüssigkeit 33 gefüllt ist. Das Heizgerät 10 schwimmt auf der Flüssigkeit 33 und ist in seiner Lage relativ zu dem Tank 32 mittels Seilen 34 festgelegt. Die Seile 34 sind in ihrer Länge mittels Einstellvorrichtungen 35 einstellbar. Die Einstellvorrichtungen 35 sind auf dem Tank 33 gehaltert. Durch Betätigung der Einstellvorrichtungen 35 kann die Länge der Seile 34 so eingestellt werden, daß die Lage des Heizgeräts 10 nach Maßgabe des gewünschten Deklinationswinkels eingestellt werden kann. Weitere (nicht dargestellte) Seile sind vorgesehen, um das Heizgerät 10 nach Maßgabe der täglichen Bewegung der Erde relativ zur Sonne zu bewegen.

Der Tank 32 kann auf dem Meerwasser 17 schwimmen. Alternativ kann der Tank 32 auch auf einem (nicht dargestellten) Träger montiert sein.

In Fig. 5 ist ein Verdampfer 11a dargestellt, der den Verdampfer 11 ersetzen kann. Der Verdampfer 11a ist in Draufsicht von kreisförmiger Grundform und besitzt einen oberen Teil 3 6 von zylindrischer Grundform, einen nach unten sich erstreckenden Mittelteil 37 von sich erweiternden Querschnitt und einen wulstförmigen unteren Teil 38, der einen wieder nach innen vorspringenden, teilweise sphärischen Boden 39 besitzt, so daß eine Verdampfungskammer gebildet wird, welches in Vertikalschnitt zwei "Ohren" bildet. Der wulstförmige untere Teil 38 hat Auslaßleitungen 40, die sich von diesem nach unten erstrecken und über welche konzentrierte Verunreinigungen aus dem Verdampfer abgeführt werden können, sowie eine Einlaßleitung 41, die in einen Seitenteil des Verdampfers mündet und welche mit der Einlaßleitung 12 verbunden ist. Der Mittelteil 37 weist eine radial nach außen vorstehende Auslaßleitung 42 auf, welche mit dem Kanal 5 über den Durchbruch 6 in Verbindung steht. Der Verdampfer 11a enthält einen schneidenförmigen Kratzer 43, der im wesentlichen dem Innenquerschnitt des unteren Teils 38 des Verdampfers entspricht. Der Kratzer 43 ist an dem unteren Ende einer Welle 44 befestigt, die sich von

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außen durch den zylindrischen Teil 36 des Verdampfers 11a hindurcherstreckt. Ein oberes Ende der Welle 44 ist durch einen Motor 45 antreibbar.

Im Betrieb wird das Meerwasser 17 von der Pumpe 15 zu dem Verdampfer 11a über die Einlaßleitung 12 und durch die Einlaßleitung 14 gepumpt. Dampf verläßt den Verdampfer 11a über die Auslaßleitungen 42. Die Salzlösung vom Meerwasser 17 sammelt sich in dem Verdampfer 11a. Durch Betätigung des Motors 25 dreht sich der Kratzer 43 mit der zentralen, längsverlaufenden Welle 44 und bewegt die Salzlösung zu den Auslaßleitungen 40, so daß die Salzlösung den Verdampfer 11a über die Auslaßleitungen 40 verläßt, von denen die Salzlösung abgezogen werden kann.

Bei den oben unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 beschriebenen Ausführungsbeispiele kann der Träger 24 für das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel oder der Träger für den Tank 3 2 des in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiels, wenn der Tank 32 nicht auf einer Flüssigkeit schwimmt, relativ zur Erde feststehend sein, oder er kann auf einem beweglichen Fahrzeug montiert werden.

Die reflektierende Oberfläche jedes Heizgeräts 1 und 10 kann aus Metall beispielsweise Stahl, Duraluminium oder Kunststoff bestehen, der mit einer reflektierenden Oberfläche beschichtet ist. Es kann auch das Meerwasser 17 als Kühlmittel in dem Kühler 19 verwendet werden. Auf diese Weise wärmt die Wärme von dem Kühler 19 das zugeführte Meerwasser auf, was einen höheren thermischen Wirkungsgrad ergibt.

Die schwimmfähige Anordnung des in Fig. 4 dargestellten Gerätes kann auf dem Wasser geschleppt und so an den gewünschten Platz transportiert werden.

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L e e r s e i ί e

Claims

Patentansprüche

.y Heizgerät zur Ausnutzung von Sonnenenergie enthaltend Mittel zum Konzentrieren der darauffallenden Sonnenenergie auf einer Absorptionsstation, einen Absorber, der an dieser Absorptionsstation angeordnet und zur Absorption der darauf konzentrierten Sonnenenergie eingerichtet ist, und einem Kanal, der mit dem Absorber in Wärmeaustausch steht und durch welchen ein Druckmittel hindurchleitbar ist, welches durch die auf den Absorber fallende Sonnenenergie auf.geheizt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Kanal (5) mit den energiekonzentrierenden Mitteln (3) in Wärmeaustausch steht und dem mit dem Absorber (8) in Wärmeaustausch stehenden Kanal vorgeschaltet ist, so daß das aufzuheizende Druckmittel in dem weiteren Kanal (5) vorerwärmt wird, bevor die Haupterwärmung in dem mit dem Absorber in Wärmeaustausch stehenden Kanal erfolgt.
2. Heizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die energiekonzentrierenden Mittel eine der einfallenden Sonnenenergie ausgesetzte Oberfläche (3) aufweisen und der diesen Mitteln zugeordnete Kanal (5) so angeordnet ist, daß das dort hindurchgeleitete Druckmittel im wesentlichen hinter der gesamten Oberfläche zirkuliert, wodurch das Druckmittel durch den von der Oberfläche absorbierten Anteil der einfallenden Sonnenenergie vorerwärmt wird.
3. Heizgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (3) der energiekonzentrierenden Mittel eine gekrümmte, reflektierende Oberfläche ist, durch welche die darauffallende Sonnenenergie auf die Absorptionsstation konzentriert wird.

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4. Heizgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte reflektierende Oberfläche (3) parabolisch ist.
5. Heizgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Absorber (8) eine Außenfläche
aufweist, welche der von den energiekonzentrierenden
Mitteln (3) daraufgeleiteten Sonnenenergie ausgesetzt ist
und daß diese Außenfläche eine Mehrzahl von vorspringenden Teilen besitzt.
6. Heizgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (8) eine vertiefte Innenfläche aufweist, welche
Sonnenenergie direkt von der Sonne aufnimmt und eine
Mehrzahl von vorstehenden Teilen besitzt.
7. Heizgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außen- und die Innenfläche des Absorbers (8) gewellt sind.
8. Heizgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Außen- und die Innenfläche des Absorbers (8) aus
schwarzem Material bestehen.
9. Heizgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Gummi ist.
10. Heizgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der Absorber (8) ein Rohr enthält,
welche zu einer Wendel gewickelt ist und den Kanal für das Druckmittel bildet.
11. Heizgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wendel so angeordnet ist, daß benachbarte Teile der
Windungen derselben in Kontakt miteinander sind.

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~³
12. Heizgerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr aus schwarzem Material besteht.
13. Heizgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Gummi ist.
14. Heizgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber in einem Raum angeordnet ist, welcher von der Oberfläche (3) der energiekonzentrierenden Mittel begrenzt und durch eine Platte (9) abgeschlossen ist, welche den Durchtritt von Sonnenenergie zu den energiekonzentrierenden Mitteln und zu dem Absorber (8) gestattet.

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