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Titel
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SONNEN-FLACHKOLLEKTOR-KONSTRUKTION
In den verschiedenen
vom Bundesminister für Forschung und Technik herausgegebenen Studien huber Solar-Kollektoren
ist die in der Bundesrepublik nutzbare Sonnen-Globalstrahlung mit max. 900 Watt/m²
ermittelt worden.
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enn rnan die entsprechenden Verluste mit ca. 20 % ansetzt, die nun
einmal jedem Flachkollektor mit einem 2-Scheiben-Fenster-bystem anhaften, so kann
- gemäß den BMFT-Studiennur rnit einem erreichbaren Nutzungswert von 600 Watt/m2
gerechnet werden, der an das im Flachkollektor zirkulierende Wärmeträgermedium weitergegeben
werden kann.
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Aus der einschlägigen Fachliteratur wissen wir andererseits, daß rnindestens
300 Watt/m2 am Flachkollektor wirken müssen, wenn eine akzeptable Wassererwärmung
auftreten soll.
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Demzufolge bewegt sich die praktisch für Flachkollektoren verfügbare
Leistung zwischen 300 und 600 Watt/m2 in der Bundesrepublik.
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Diese verfügbare Energie ist sehr knapp, weshalb die Brauchwasser-Erwärmung
durch Solarenergie noch aehr skeptisch betrachtet wird. Der erzielbare Nutzen liegt
oft unter einer Rentablität. Ein Zustand1 der niemand für die Solarheizung bislang
so rich begeistern konnte.
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Wesentlich anders würde die Situation, wenn höhere Heizleistungen
an den Flachkollektoren erreicht werden könnten.
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Der Strahlungseinfall ist aber durch die natürlichen Verhältnisse
gegeben, Er kann nicht beeinflußt werden.
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Höhere Heizleistungen können nur durch eine höhere Konzentration der
Strahlung erreicht werden. Etwa, wenn man die einfallende Globalstrahlung einer
größeren Fläche konzentriert und auf einen üblichen Flachkollektor leitet.
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Anlagen zur Strahlungskonzentration durch Hohl-, Parabolspiegel oder
Linsen <Freanel-Linsen) sind hinreichend bekannt.
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Aber diese Lösungen konnten sich aus Kostengründen nicht durchsetzen.
Außerdem wird die Wärmeübertragung auf ein dünnes Rohr in der Brennlinie der Konzentratoren
vorgenonirflen, denn dieses darf nicht din Strahlungseinfall beeinträchtigen.
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Der Wärmeaustausch von einer verhältnismäßig großen Spiegelfläche
auf ein kleines Rohr dünnen Durchmessers bringt Strömungsschwierigkeiten und verlangt
eine Nachführung zum Sonnenstand.
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Ein Flachkollektor ist durch seine große bestrahlte Fläche ein vorzüglicher
Wämetauscher, der sehr schnell die Wärme aufnirriint und weiterüberträgt. Ein großer
Vorteil, wenn nur wenig Globalstrahlung, wie in Deutschland, vorhanden ist.
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Will man also die schon allerseits eingeführten Flachkoliektoren beibehalten,
so muß ein Verfahren gefunden werden, daß 1. die vorhandenen Flachkollektoren mit
den in ihnen verwendeten Flachabsorbem konstruktiv unverändert läßt, 2. auf die
Flachseiten des Absorbers eine verdichtete (konzentrierte) Strahlung lenkt, 3. die
Strahlungsverdichtung darf nur geringen Mehrkosten verursachen.
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Kann ein solches Verfahren gefunden werden ? Diese Frage ist mit "ja"
zu beantworten. In der nachfolgend beschriebenen Erfindung wird die Verwendung von
4, dem Absorber gleichgroßen Umlenkspiegeln zur Strahlungsverdichtung und -konzentration
vorgeschlagen.
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Spiegel aus Glas, Kunststoff oder Metall scheiden aus den bekannten
Kostengründen aus. Es gibt jedoch eine noch der hältnismäßig unbekannte Spiegelart,
die sehr kostengünstig herstellbat-ist. Es sind die sogenannten "Leichtspiegel",
die aus geschäumten Kunststoffplatten bestehen auf deren Oberfläche eine,sehr dUnne
Aluminiumfolie gespannt ist. Dieser Flachspiegel ist aus einer etwa 50 mm dicken
Polyurethanplatte herstellbar, die gleichzeitig zur Wärmedämmung des Absorbers dient.
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Darnit werden gleich 2 Bedingungen erfüllt. Die Polyurethanplatte
ist Wärmedämmung und Spiegel zugleich. Derartig konstruierte "Leichtspiegel' in
Flachbauweise sind für etwa DM 30.-DM/m² wirtschaflich herstellbar.
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Für die Konstruktion des Erfinders werden für das nachstehend beschriebene
Beispiel4 solcher flachen Leichhpiegel in der Größe 1 x 2 Meter benötigt.
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Durch den in der Erfindung beschriebenen "Spiegeltrick" kann die Sonnen-Globalstrahlung
dreifach verdichtet auf ein und demselben Absorber in den Ublich gebrauchlichen
Abmessungen von 2 x 1 Meter - 2 m2Absorberfläche, sowohl auf die Oberseite, als
auch auf die Unterseite des Absorbers eingestrahlt werden.
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Hierdurch verdoppelt sich die Wärmeübergangsfläche am Absorber.
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Jeweils £ der vorbeschrieben Leichtspiegel rnit den Abmessungen 2
x 1 m werden zu einer 2 x csrn großen, planen Spiegelfläche zusamingesetzt. Die
beiden so entstandenen Flachspiegel von je 2 x 2 m werden in einem winkel von 90
Grad an den Kanten aneinander gesetzt, wie es auch in de Figur 1 dargestellt ist.
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Auf eine der beiden 2 x 2 -Spiegelflächen wird der E'lachabsorber,
Größe 2 x 1 rn, mit seiner 2-m-Kante senkrecht aufgesetzt.
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Die rechtwinklig zueinander stehenden 2 x ? m-Spiegel mit dem aufgesetzten
Absorber werden auf den Einstrahlwinkel der Sonne (40-Grad-Neigung) ausgerichtet.
Hierzu wird ein leichtes Winkelstahlralmengerüst nötig, das die Spiegel entsprechend
unterstützt.
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Dieses Stahlgerüst dient auch gleichzeitig als Träger der Wärmeisolierung
und auf der zur Sonne gerichteten Seite als Halterung für die 2-Scheiben-Fenster.
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Die 2 x 2 m großen Leichtspiegel lenken die einfallende Sonnen- und
Globalstrahlung nach dem Prinzip : Einfallswinkel gleich Ausfaliswinkel auf die
Vorderseite und die Rückseite des Flachabsorbers, wie es in Figur 2 dargestellt
ist.
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Das zur Sonne gerichtete 2-Scheiben-Fenster hat eine Grundfläche von
2 x 3 Meter. Diese Fensterfläche ist identisch mit der Strahlungsempfangsfläche,
die bei dieser Konstruktion genutzt werden kann.
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Der Flachabsorber hat nur eine Grundfläche von 2 x 1 m, die der Strahlung
ausgesetzt ist. Die Spiegelfläche' die die Sonnen-und Globalstrahlung auf den Absorber
umlenken1 haben zwar eine Größe von 2 x 2 m, da sie jedoch schräg gestellt sind,
ist ihre Strahlungsempfgsfläche nur 2 x 1,5 m groß.
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Die Spiegel, die als Oberflächenspiegel ausgebildet sind, lenken alle
Strahlung, die auf diese Flächegröße mit nur wenig Verlusten (Verluste ara Aluminium-Oberflächenspiegel
ca 2 Prozent) einfällt1 auf den Absorber weiter.
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Auf jede Seite, Ober- und Unterseite, des Absorbers wirken also jeweils
50 % Strahlung mehr, als bei nur direkt bestralilten Flachabsorberrt ein.
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Da jede der beiden Flachseiten des Absorbers diese 50-Prozent-Mehrstrehlung
erhalten, verdndfacht sich die auf den Absorber
wirkende WErmebestrahlung
Auf beide Flachseiten des Absorbers zusammengenommen wird also die Strahlung von
2 x 3 m = 6 m2-Fläche wirksam.
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Gegenüber einen bislang sonst üblichen Flachabsorberzder hinter einen
2.Scheiben-Fenster angeordnet ist und der nur auf seiner Oberseite bestrahlt wird,
hat die bei der vorliegenden Erfindung gegebenen zweiseitige Bestrahlung in Verbindungmit
der Spiegelumlenkung den dreifachen Strahlungseinfallswert.
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Zwangsläufig muß an diesen1 so bestrahlten Flachabsorber auch der
etwa 3-fache Heizungswert erzielt werden können. Dieser 3-fache Heizungswert, der
auf dbn Absorber konzentriert wird, dürfte etwa 3 x 600 = 1 .800 Watt/m2 betragen,
wenn maximaler Sonnenstrahlung vorhanden ist. (Nach BMFT-Studie), Fällt im Winter
die Sonnenstrahlung mit verminderten Werten ein, so sind immer noch etwa 3 x 300
= 900 Watt/m2 zu erwarten.
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Ein Wert, der um die Hälfte höher, als bei den bisher bekannten, nur
einseitig bestrahlten Flachabsorbers hinter 2 Scheiben im Sommer liegt.
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Durch die in der Erfindung beschrieben Spiegeleinrichtung kann also
auch im Winter - sofern eine Sonnenstrahlung gegeben ist - eine Brauchwasser-Erwärmung
ohne die sonst übliche Zusatzheizung gewährleistet werden. Mit Hilfe der Leichtspiegel-Anordnung
wird warscheinlich auch ein Aufbereiten von Niedertemperatur-Heizungswasser möglich.
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Da Spiegel und. Absorber wärmeisoliert werden müssen, ist ein verhältnismäßig
großer dreieckförmiger Isolierkörper, der auf der zur Sonne gerieateten Fensterseite
immerhin Abmessungen von 3 x 2 m und eine Tiefe von 1,5 m aufweist, erforderlich.
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Selbstverständlich wird man den Isolierkörper erst am Au&-stellungsort,
etwa dem Hausdach, zusammensetzen. Die Größe des. Dreick-Isolierkörpers 2 x 3 x
1,5 m mag zunächst befremden, wenn das lIausdach jedoch ein 30-oder 40-Grad-Satteldach
ist, können diese Isolierkörper noch bequem auf dem Dachboden untergebracht werden.
Zweckmäßigerweise wird man dann die Südseite des Satteldaches ganz in Abdeckglas
ausführen.
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Für eine Aufstellung auf Flachdächern oder Freiland können (fahrbare)
Boxen-Anordnungen gewählt werden.
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In Figur 2 sind als Hauptstrahlenwege die 4 Wege A, B, C und D eingezeichnet.
Die Wege A, C und D führen über die Umlenkspiegel. Weg B ist ein Direkt-Einfallsweg.
In der Figur 2 sind die Spiegel (1) mit den Isolierträgerplatten (;' ) der Absorber
(3) und die 2-' chei ben-AlJdeckung (lf und '.
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sowie das Trägergerüst (6) dargestellt.
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Es ist noch darauf hinzuweisen, daß ein Verdacht, die Spiegel könnten
zwar die sichtbare Sonnenstrahlung, nicht jedoch den Globalstrahlungsanteil weiterspiegeln,
unbegründet ist.
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Es kommt dabei auf die Oberfläche der Spiegel an. Werden Glasscheiben
verwendet, die auf ihrer Hinterseite verspiegelt sind, wie dies bei allgemein gebräuchlichen
Wandspiegeln üblich ist, weil sonst die Spiegelfläche beschädigt wird, dann wird
natürlich ein Teil der Global strahlung in der Glasplatte absorbiert werden.
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Bei der vorliegenden Erfindung ist jedoch an die Verwendung von Oberflächenspiegeln
gedacht, die spektral den sichtbaren und den infraroten Bereich bis ca. 3 Meter
weiterzuspiegeln vermögen. Im Allgemeinen sind Alu-Oberflächenspiegel hierfür geeignet.
Da die Isolierplatten mit den Alu-Oberflächen hinter einer 2-Scheiben-Abdeckung
angeordnet sind, können Oberflächenbeschädigungen ausgeschlossen werden.Wesentlich
ist dabei, daß die Oberflächenspiegel hinter dem 2-Scheiben-Fenster angeordnet sind.
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Ist dies nicht der Fall, müßten die Spiegel mit einer transparenten
Schutzschicht überzogen werden, die dann allerdings die Globalstrahlung erheblich
vermindern kann. Ein solcher Weg wird aber hier vermieden. Die Oberfläche der Spiegel
ist von strahlungsmindernden Beschichtungen freigehalten.
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Polyurethanplatten oder ähnliche Produkte, wie sie bei der vorliegenden
Erfindung zur Isolierung verwendet werden sollen,
können mit einer
wasserfesten Oberflache versehen werden.
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Auch Aluminium-Oberflächenspiegel werden nicht oxydi e ren, wenn sie
von einem nichtagressiven Wärmeträgermedium umpült werden Erfüllt man diese beiden
Bedingungen, so kann man den Innenraum des Isolierkörpers hinter dem 2-Scheiben-Fenster
mit einem Sonnen- und Global strahlungs- transparenten Wänie trägermedium füllen
und anstelle des sonst üblichen Flaclbsorbers, nun lediglich eine beidseitig schwarze
Blechplatte verwenden.
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Die Sonnen- und Global strahlung tritt durch das 2-Scheibenfenster
hindurch, durchstrahlt auch das transparente Wärmeträgermedium und prallt - wie
vorstehend schon beschrieben -beidseitig auf die als Abs-orber verwendete schwarze
Blechplatte auf, an der die Wärmewirkung erzielt wird.
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Es ist warscheinlich, daß das transparente Wärmeträgermedium beim
Strahlungsdurchtritt schon etwas miterwärmt wird.
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Von Vorteil ist dabei, daß das transparente Wärmeträgermedium direkt
an der Innnenseite der zweiten Fensterscheibe anliegt und die Wärmeverluste, die
sonst an der zweiten Fensterscheibe gegeben sind1 nun von dieser direkt an das Wärmeträgermedium
abgegeben werden. Damit errreicht diese Lösung günstigere Wärmeübertragungswerte,
als sonst bei 2-Scheibenabdeckungen zu erwarten ist.
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Wegen der Spiegeloberflächen und dem Strahlungsdurchtritt durch das
transparente Wärmeträgermedium, muß dieses relativ sauber gehalten werden. Die Sauberhaltung
ist einfach zu erzielen, wenn man ein Zweikreisystem wählt, in dem das uMärrneträgermedium
abgeschlossen zirkuliert.
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Die Solarwärme wird dann über einen Wärmetauscher vom Wärmeträgermediumkreis
an den SekundGr-Brauchwasser- oder Nieder-Temperatur-(Fußboden-)-Heizungskreis übertragen.
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In der vorstehenden Beschreibung wurde als Beispiel ein c> x 3
x 1 ,5 rn großer Isolierkörper rnit einem 2-Scheibenfenster von 2 x 3 m geschildert.
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Selbstverständlich sind auch andere Abmessungen des Isoliarkörpers
möglich, die der Dachform und der Dachdeckenbelastung besser angepasst sind.
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So etwa mit einem Querschnitt von 75 x 200 x 35 cm. Der entsprechende
Absorber oder die als Absorber benutzte Blechplatte hätte dann eine Abrnessung von
25 x 200 crn 2 und hätte damit genau ein m2 Fläche.
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Will man das Eigengewicht des Isolierkörpers herabsetzen, insbesondere,
wenn sein Innenraum mit dem Wärmeträgermedium gefüllt ist, dann kann der Isolierkörper
in der Mitte durch eine Glxcheibe unterteilt werden. In diesem Falle wird nur die
Körperhälftein der sich der Absorber bzw. die Blechplatte bePindett vom Wärmeträgermedium
durchflossen.
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