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B e s c h r e i b u n g
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betreffend Vorrichtung zur Nutzun von Sonnenenergie.
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(Zusatz zu P 28 20 715.0) Das Hauptpatent betrifft eine Vorrichtung
zur Nutzung von Sonnenenergie mit einem wärmeisolierten und vorzugsweise wännespeicherfähigen
Absorber, der aus einem bevorzugt dunkelfarbenen Material, insbesondere kornförmigem
Kohlenstoff-Koks, besteht, das sonnenseitig eine zerklüftete, in Strahlungseinfallrichtung
räumlich in die Tiefe gehende Oberfläche bildet und vorzugsweise durch eine sonnenseitig
vor dem Absorber angeordnete sonnenlichtdurchlässige Abdeckung abgedeckt ist, und
mit einem durchströmbaren Wärmetauscher, der in Wärmekontakt zum Absorber angeordnet
ist.
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Ein derartiger Absorber mit räumlicher Absorbtion, bei dem die einfallenden
Sonnenstrahlen in einer Folge von Teilabsorptionen bis zur vollständigen Aufnahme
in den Absorber eindringen, fiihrt zu optimalen Absorptionsverhältnissen mit einem
entsprechend hohen Wirkungsgrad. Dabei hat sich die Verwendung von kornförmigem
Kohlenstoff-Koks zum Aufbau des räumlichen Absorbers als sehr geeignet erwiesen,
weil dieses Material preiswert in den benötigten Korngrößen zu erhalten ist, beständig
ist, gute Wärmespeicher-und Wärmeleiteigenschaften aufweist und weil das einzelne
Korn selbst bereits eine zerklüftete porige Oberfläche aufweist, was sich vorteilhaft
für
die Absorption auswirkt. In diesem Sinne wurde auch die schwarze bzw. dunkle Grundfarbe
des Kokses als vorteilhaft angesehen.
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Mit einem derartigen Kokskollektor kann im Inland eine Aufheizung
des Koksbettes bis ca. 150°C erreicht werden, und zwar ohne eine sehr aufwendige
Setektivscheibe, die zwar Sonnenlicht zum Absorber durchläßt, jedoch dessen temperaturbedingte
Rückstrahlung zurückhält. In ersten Versuchen mit dem Kokskollektor konnten nämlich
bereits Koksbettemperaturen von 135°C erzielt werden, was die Zweckmäßigkeit des
räumlichen Kollektorprinzips unterstreicht. Nach neuesten Erkenntnissen ermöglicht
jedoch das räumliche Kollektorprinzip nach dem Hauptpatent auf einfache Weise die
Erzielung noch höherer Temperaturen im Absorberbett, was eine Sonnenenergiegewinnung
bei höherem Temperaturniveau und damit einen bedeutenden Fortschritt beinhaltet.
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Der neuen Erkenntnis liegt die Überlegung zugrunde, daß die sich unter
Sonneneinstrahlung im Absorberbett einstellende Temperatur eine Gleichgewichtstemperatur
ist, bei der die eingestrahlte bzw. absorbierte Wärmemenge gleich ist der vom Absorber
abgegebenen Wärmemenge, die mit steigender Bettemperatur ansteigt und zu einem wesentlichen
Teil auf Wärmeabstrahlung von der der Sonnenbestrahlung ausgesetzten Oberseite des
Absorberbettes beruht. Dabei zst die abgestrahlte Wärmemenge nicht nur von der Temperatur
sondern auch von der Färbung der abstrahlenden Fläche abhängig.
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Nach einem physikalischen Gesetz bedeutet- ein geringes Absorptionsvermögen
auch ein geringes Emissionsvermögen an Eigenstrahlung. Daher ist eine schwarze bzw.
dunkelfarbene Absorberoberfläche, wie sie sich im Hinblick auf den Absorptionsvorgang
anbietet, im Zusammenhang mit der Wärmeabstrahlung unzweckmäßig. Beim räumlichen
Sonnenkollektor
kann jedoch auch unter dem Gesichtspunkt einer möglichst
vollständigen Absorption einfallenden Sonnenlichts auf eine dunkelfarbene Absorberoberfläche
verzichtet werden, weil die Sonnenstrahlen in den Absorber eindringen und dabei
auch dann im wesentlichen vollständig aufgenommen und in Wärme umgesetzt werden,
wenn beim ersten direkten Auftreffen eines Sonnenstrahls und bei den nachfolgenden
Auftreffvorgängen des verbleibenden noch nicht absorbierten Strahlenanteils innerhalb
des räumlichen Absorbers vergleiehsweise geringe Einzelabsorptionsgrade erhalten
werden. Dieses wird bei ausreichender räumlicher Tiefe des Absorbers durch eine
erhöhte Zahl von Strahlreflexionen bzw. Absorptionsschritten ausgeglichen.
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Dmeentsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer
Vorrichtung der eingangs genannten Art mit einfachen Maßnahmen eine Steigerung der
Absorbertemperatur (Gleichgewichtstemperatur) ZU erzielen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Absorbermaterial
im Bereich der sonnenbestrahlten Außenschicht eine hellfarbene Oberfläche aufweist.
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Auf Grund der vorstehenden Erwägungen ist ohne weiteres einzusehen,
daß diese Maßnahme zu einer Verringerung der Wärmeabstrahlung des Absorbers führt,
ohne daß die Absorptionsfähigkeit für Sonnenlicht wesentlich beeinträchtigt wird.
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Dementsprechend steigt die Gleichgewichtstemperatur des Absorbers
und kann die eingestrahlte Sonnenenergie in Form von Wärme bei höherem Temperaturniveau
von beispielsweise 200 oder 3000C gewonnen werden, ohne daß dazu aufwendige Maßnahmen
ergriffen werden miissen. Dabei ist die erfindungsgemäß Verringerung der Absorberstrahlung
auch deswegen einer selektiv wirkenden Abdeckscheibe vorzuziehen oder zusätzlich
zu
einer solchen Abdeckscheibe sinnvoll, weil die Selektivabdeckung die Wärmestrahlung
nicht am Entstehen hindert sondern lediglich abfängt, so daß bei einem Absorber
mit dunkelfarbener Oberfläche die Unterseite der Abdeckscheibe entsprechend stark
durch Strahlung erwärmt wird, woraus sich wiederum Wärmeverluste durch von der Abdeckscheibe
ausgehende Wärmeleitung ergeben. Insbesondere wird mit der erhöhten Gleichgewichtstemperatur
auch die Wärmespeicherkapazität des Absorbers wesentlich erhöht.
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Die Sonnenenergiegewinnung auf erhöhtem Temperaturniveau ist nicht
nur von Vorteil für die Nutzung zur Warmwasserbereitung und zur Raumheizung, weil
hier heißeres Wasser gewonnen bzw.
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mit kleineren Wärmeaustauscherflächen gearbeitet werden kann, es ergeben
sich insbesondere ganz neue Anwendungsbereiche.
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Beispielsweise seien die Meerwasserentsalzung (Trinkwasserbereitung),
die Dampferzeugung (zum Betrieb von Generatoren) und das Trocknen landwirtschaftlicher
oder industrieller Erzeugnisse mittels Heißluft genannt, die beispielsweise direkt
durch das aufgeheizte Absorberkornbett geleitet werden kann, dessen Kanäle dann
den durchströmbaren Wärmetauscher bilden.
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Für derartige Anwendungsfälle ist ein hohes Temperaturniveau bzw.
die Schaffung eines Hochtemperatur-Sonnenkollektors voraussetzung.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist die hellfarbene
Oberfläche eine silberfarbene Oberfläche. Bekanntlich ist metallischer Glanz bzw.
Silberglanz ein Zeichen dafür, daß die betrachtete Fläche Lichtstrahlen reflektiert.
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Trotz der Ausbildung mit silberfarbener Oberfläche wird der erfindungsgemäße
räumliche Absorber wegen der zerklüfteten und porigen Struktur seiner Oberfläche
bei einer Betrachtung in Richtung des Strahleneinfalls im wesentlichen schwarz bzw.
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dunkel wirken als Zeichen dafür, daß die Strahlen nicht zurück reflektiert
sondern in den Absorber hineinreflektiert
(und dabei schrittweise
allmählich im wesentlichen vollständig absorbiert) werden.
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Solche im Sinne der Erfindung optimalen Verhältnisse sind interessanterweise
bei der Verwendung von Koks als Absorbermaterial bereits zum Teil vorhanden, denn
im Handel erhältliche Kokssorten zeigen dein Betrachter silbrig-kristalline Flächenelemente.
Daher kann bei Verwendung von Koks als Absorbermaterial ggf. darauf verzichtet werden,
das Absorbermaterial der Außenschicht mit einem die hellfarbene bzw.
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silberfarbene Oberfläche bildenden Überzug zu versehen, wie es als
vorteilhafte Möglichkeit zur Verwirklichung der Erfindung vorgesehen ist. Gleichwohl
kann mit der vorgenannten Maßnahme auch bei Koks als Absorbermaterial noch eine
Steigerung des erstrebten Effekts im Sinne einer Anhebung der Gleichgewichtstemperatur
erreicht werden.
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Wird mit einem Überzug zur Erzielung der erwünschten Oberflächeneigenschaften
des Absorbermaterials gearbeitet, so ist es zweckmäßig, wenn das Absorbermaterial
der Außenschicht im Färbebad mit feinen, verstopfungsfrei in die Poren des Absorbermaterials
eindringenden und auch die inneren Porenwände bedeckenden Farbteilchen überzogen
ist. Dadurch wird eine Wärmestrahlung des Absorbers weitgehend ausgeschaltet.
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Die erfindungsgemäße Lehre kann auch in der Weise befolgt werden,
daß der Absorber eine entwickelte Fotoschicht mit ausgefälltem metallischem Silber
in räumlicher Verteilung aufweist, das die silberfarbene Oberfläche bildet. Bekanntlich
wird eine Fotoschicht aus Gelatinemasse mit Silberbromid hergestellt, wobei nach
dem Belichten entwickelt bzw.
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ausgewaschen wird, so daß ausgefälltes Silber verbleibt,das fiir die
erzielte Schwärzung verantwortlich ist. Solche
Fotoschichten lassen
sich auf einfache Weise herstellen und in der gesünschten Weise anordnen bzw. an
die gegebenen Verhältnisse anpassen.
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Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Fotoschicht allein
den räumlichen Absorber bildet und in entsprechender Stärke auf einem Träger angeordnet.
ist. Man erhält auf diese Weise ein besonders einfaches Absorberelement, das beispieisweise
aus einer aufwickelbaren flexiblen Trägerfolie mit einer Fotobeschichtung besteht.
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Eine besonders einfache Vorrichtung ergibt sich dann, wenn der Träger
den durchströmbaren Wärmetauscher bildet also rohrförmig oder schlauchfbrmig ausgebildet
ist.
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Des weiteren ist eine Ausführungsform zweckmäßig, bei welcher der
Träger lichtdurchiässig ist und die Fotoschicht auf der sonnenabgewandten Rückseite
bzw. Innenseite des Trägers angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird nicht nur
die absorbierende Fotoschicht geschützt, insbesondere entsteht die hohe Temperatur
innerhalb des Wärmetauschers, so daß die Wärmeleitung bzw. Abführung vom Absorber
zum Verbraucher schnell und verlustarn erfolgen kann, wobei der lichtdurchlässige
Träger als Isol.ierunggegen Wärmeleitung wirksam sein kann. Eine solche Ausführungsform
erscheint insbesondere für die direkte Heißlufterzeugung zur Raumheizung oder Trockung
geeignet, wobei ggf. mit einer thermischen Luftumwälzung durch die Vorrichtung gearbeitet
werden kann.
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Da erfindungsgemäß die Wärmeabstrahlung des Absorbers verhindert oder
zumindest stark herabgesetzt wird, wird die Gleichgewichtstemperatur des Absorbers
im wesentlichen durch seine Wärmeverluste auf Grund von Wärmeleitung bestimmt.
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Diese Verluste können wie bekannt durch eine gute Isolierung
des
Absorbers gesenkt werden. Problematisch ist dabei lediglich die Oberseite bzw. Einstrahlseite
des Absorbers, die für die Sonneneinstrahlung frei gehalten werden muß. Bei freiliegender
Absorberoberseite ergeben sich vergleichsweise große Wärmeverluste durch Konvektion.
Es ist bereits bekannt, eine im Abstand zur sonnenseitigen Absorberoberseite angeordnete
sonnenlichtdurchlässige Abdeckung zu verwenden, wodurch Konvektionsverluste gesenkt
werden können.
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Mit einer Verringerung der verbleibenden Konvektionsverluste kann
die Gleichgewichtstemperatur des Absorbers jedoch in wesentlichem Maße weiter erhöht
werden. Dieses erfolgt in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch, daß im Zwischenraum
zwischen dem Absorber und der Abdeckung Raumteilerleisten zur Verringerung der Wärmekonvektionsströmung
zwischen dem Absorber und der Abdeckung vorgesehen sind. Diese Raumeilerleisten,
die zweckmäßigerweise rippenförmig an der Unterseite der Abdeckung angeordnet sind,
verhindern einen Luftstrom, der direkt über die Oberseite des Absorbers und iiber
die Unterseite der Abdeckung streicht.
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Somit werden die Wärmekonvektionsverluste herabgesetzt, was - bei
im übrigen guter Wärmeisolierung des Absorbers - zu einer beträchtlichen Anhehung
der Gleichgewichtstemperatur des Absorbers führen kann. Dabei behindern die Raumteilerleisten
die Sonneneinstrahlung nur unwesentlich,wenn sie schmal ausgeführt sind und sich
im wesentlichen in die Einstrahlrichtung enthaltenden Ebenen erstrecken. Gegebenenfalls
können die Leisten sich im wesentlichen über die gesamte Höhe zwischen dem Absorber
und der Abdeckung erstreclcen und mit einer reflektierenden Oberfläche versehen
sein. Weitere zweckmäßige Maßnahmen sind in den Unteransprüchen erläutert. Sie dienen
ebenfalls der Erhöhung der Gleichgewichtstemperatur und tragen ebenfalls dazu bei,
daß - bei fehlender Wärmeentnahme durch den Wärmetauscher -jede Sonneneinstrahlung
den Absorber einen Schritt weiter in Richtung auf die hohe Gleichgewichts temperatur
aufheizt, wobei Wärmeverluste in der Nacht sowie bei bewölktem Himmel sehr gering
sind.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand
einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1
einen Schüttbett-Sonnenkollektor in einem Vertikalschnitt und Fig. 2 einen Rohrkollektor
mit Fotobeschichtung im Horizontalschnitt.
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Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 umfaßt ein Schüttbett 1, das in eine
Isolierwanne 2 aus Styrodur oder dergleichen eingefüllt ist, die auf ihrer Außenseite
mit einem Schutzblech 3 verkleidet ist. Am oberen Innenrand der Isolierwanne 2 ist
eine umlaufende Ausnehmung 4 vorgesehen, die den Rand einer Abdeckscheibe 5 aus
sonnenlichtdurchlässigem Material aufnimmt. Gegebenenfalls kann zur Verbesserung
der Isolierwirkung statt der einfachen Abdeckscheibe 5 eine mehrschichtige Abdeckung
vorgesehen sein. An der Unterseite der Abdeckscheibe 5 sind dünne Rippen oder Leisten
6 vorgesehen, die in Richtung auf das Schüttbett 1 vorspringen und dadurch den Zwischenraum
7 zwischen dem Schüttbett 1 und der Abdeckscheibe 5 unterteilen, was der Ausbildung
von Wärmekonvektionsströmungen im Zwischenraum 7 entgegenwirkt.
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Das Schüttbett 1 ist aus 4 Schichten von kornförmigem Material, vorzugsweise
Kohlenstoff-Koks, aufgebaut. Die unterste Schicht a besteht aus schwarzfarbenem
Grobkorn 8, die darüber befindliche Schicht b enthält im wesentlichen schwarzfarbenes
Feinkorn 9, die anschließende Schicht c besteht wiederum aus schwarzfarbenem Grobkorn
10 und die obere bzw. Außenschicht d ist von hellfarbenem bzw. glänzendes Silberkorn
11 gebildet, das im Vergleich zu den anderen Schichten a bis c eine mittlere Korngröße
oder aber die Korngröße des Grobkorns 8 bzw. 10 aufweist.
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Das Silberkorn 11 kann ein Mineral mit natürlichem bzw. kristallinem
Glanz sein (Silberkoks), es kann sich aber auch um ein anderes Kornmaterial handeln,
dessen Oberfläche durch eine Behandlung hellfarben bzw. glänzend gemacht wurde.
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Die Außenschicht d hat eine von der Korngröße und Struktur des Silberkorns
abhängige Mindesthöhe, so daß einfalLende Sonnenstrahlen innerhalb dieser Außenschicht
zumindest weitgehend absorbiert werden und vermieden ist, daß von dem schwarzfarbenen
Grobkorn 10 ausgehende Wärmestrahlung die Außenschicht d durchdringen kann. Der
Grund dafür, daß das Schüttbett 1 bevorzugt nicht vollständig aus Silberkorn 11
aufgebaut ist, liegt darin, daß die Wärmestrahlung des schwarzfarbenen Korns 8 bis
10 für den Wärmetransport zum Wärmetauscher 12 erwiinscht ist, der in Form einer
Rohrschlange in die Feinkornschicht b eingebettet ist. Durch die Hohlräume innerhalb
des Schüttbetts 1 ist die Wärmeleitung durch das Schüttbett herabgesetzt, so daß
sich selbst bei Verwendung von Kohlenstoff-Koks mit vergleichsweise guter Wärmeleitfähigkeit
die Strahlungsübertragung innerhalb des Schüttbettes 1 für den Wärmetransport in
die unteren Schichten a bis c und zum Wärmetauscher 12 vorteilhaft auswirkt.
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Dabei dient die feinkörnigere Ausfiihrung der Schicht b ebenfalls
einem verbesserten Wärmetransport und insbesondere einem verbesserten Wärmeübergang
auf der Außenseite des Wärmetauschers 12. Im übrigen sind die Schichten a bis c,
in denen keine oder alLenfalls noch eine geringfügige Absorption von Sonnenstrahlen
stattfindet, vorgesehen, um eine vorbestimmte Wärmespeicherkapazität der Vorrichtung
zu erhalten. Dadurch ist auch die Gesamthöhe der Schichten a bis d vorgegeben.
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Gemäß Fig. 2 ist ein senkrecht angeordnetes Trägerrohr 14 vorgesehen,
das für Sonnenlicht durchlässig ist und ggf.
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wärmeisolierend wirkt. Dieses Trägerrohr 14 ist an seiner Innenseite
mit einer Fotoschicht 15 versehen, die ausgefällte Silberteilchen in räumlicher
Verteilung enthält.
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Die Schicht 15 bildet den räumlichen Absorber und eist daher unter
Berücksichtigung des Umstandes, daß durch die Fotoschicht eingefallene Sonnenstrahlen
in der Fotoschichtröhre eingeschlossen sind, eine Stärke auf, die der halben Eindringtiefe
von
Sonnenlicht entspricht. Daher wird von außen durch das Trägerrohr 14 einfallendes
Sonnenlicht innerhalb der Schicht 15 vollständig absorbiert, wobei eine besonders
starke Aufheizung bzw. hohe Gleichgewichtstemperatur deswegen erzielt wird, weil
die Absorberschicht 15 trotz hohe-r Eigentemperatur nicht oder nur in geringem Umfang
nach außen abstrahlt.
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Das Trägerrohr 14 mit der fotografischen Silberschicht 15 bildet zugleich
einen durchströmbaren Wärmetauscher, wobei das durchströmende Medium die gewonnene
Wärme abführt. Dabei kann im Falle senkrechter Anordnung des Trägerrohrs 14 eine
thermische Umwälzung mit aufwärts gerichteter Strömung durch das Trägerrohr 14 erzielt
werden. Natürlich kann auch eine Zwangsumwälzung vorgesehen werden, wobei zur Verbesserung
des Wärmeübergangs auf das Durchströmmediurn bzw. dessen verstärkter Aufheizung
ein konzentrisches Innenrohr 16 vorgesehen sein kann, wobei nur der Ringraum 17
aufwärts durchströmt wird.
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Außer den beiden vorbeschriebenen Ausfiihrungsformen kann die Lehre
der Erfindung auch bei anderen räumlichen Sonnenkollektoren zur Anwendung kommen,
wie sie beispielsweise im Hauptpatent genannt sind. So wird ein Absorber mit dem
erfindungsgemäßen Hochtemperatureffekt auch durch mit metallisch glänzenden Teilchen
bzw. Silberpartikeln in räumlicher Verteilung gefärbte Fliissigkeiten, Gläser einschließlich
Kunstgläser und durchsichtige Gelatineschichten oder dergleichen erzielt. Im übrigen
kann bei einem Schüttbettabsorber anstelle von Koks auch Geröll, Kies oder Sand
verwendet werden, also vielerorts praktisch kostenlos zur Verfiigung stehendes Material,
das nach Stü.ckgrößen geschichtet werden kann. Da diese Materialien im allgemeinen
auch hellfarben vorliegen, kann ggf. auf ein Färben oder Versilbern verzichtet und
beispielsweise mit einer der Sonne zugewandten Außenschicht aus hellem glänzenden
Quarzsand oder Steinsand gearbeitet werden, unter der dunklerer Kies und dunlçelfarbenes
Geröll angeordnet sind.
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- Ansprüche -
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