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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Absorbieren
von Wärmestrahlungsenergie, insbesondere von Sonnenenergie in Sonnenkollektoxanlagen,
mittels einer wSrmeaufnehmenden Absorberflüssigkeit in einem Strdmungskreislauf
mit einem der Wärmestrahlung ausgesetzten Flüssigkeitsbehältnis, das an seiner Wärmeeinstrahlungsseite
transparent bzw. durchscheinend oder zumindest für Infrarotstrahlen weitgehend durchlässig
ist.
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Der Ausnutzung von Sonnenenergie und der diesbezüglichen Weiterentwicklung
der Sonnenkollektortechnik wird wegen der ständig steigenden KnappheitobErdöl, Kohle
und weiteren Energiequellen seit einigen Jahren eine erhebliche Beachtung gewidmet.
Auf diesem Gebiet existiert eine Vielfalt von technischen Neuerungen, die nur schwer
zu überschauen sind und die bei weitem nicht alle energetisch sinnvolle Lösungen
darstellen. Die üblichste Bauart eines Sonnenkollektors besteht darin, einen mit
dem Wärmemedium, das heißt mit Wasser, gefüllten Absorberbehälter, der an seiner
Wärmeeinstrahlungsseite eine schwarze Oberfläche hat, den Sonnenstrahlen auszusetzen.
Der Absorberbehälter dient dabei als Wärmezwischenglied, das die Sonnenstrahlenenergie
absorbiert und durch Wärmeleitung an das Wärmemedium im Inneren des Kollektor abgibt.
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Dieses System ist notwendigerweise relativ träge und nicht dazu in
der Lage, kurzzeitige Wärmeeinstrahlungen möglichst unmittelbar in eine Temperaturerhöhung
des Wärmemediums umzusetzen. Zum Zwecke eines schnelleren Ansprechverhaltens und
gegebenenfalls eines größeren Wirkungsgrades ist es ferner bekannt, die auftreffende
Sonnenstrahlenenergie direkt in einer schwarz gefärbten Absorberflüssigkeit
innerhalb
eines transparenten bzw. durchscheinenden FlUssigkeitsbehAltnisses absorbieren zu
lassen, un zwar ohne Umweg über den Erwärmungsvorgang des Behältnisses selbst. Es
hat sich gezeigt, daß dieses System schneller arbeitet und aber trotz seiner schwarz
gefärbten Absorberflüssigkeit noch nicht zu optimalen Verhältnissen der Energie-
sowie Temperaturbilanz führt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung der genannten Art mit einfachen Mitteln so zu verbessern, daß
sich eine günstigere Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Wärmestrahlungsenergie
ergibt.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß sich
wäßrige Nickelsalzlösungen, insbesondere wäßrige Nickelchlorid-und Nickelsulfatlösungen,
äußerst gut als Absorberflüssigkeit eignen. Dies ist insofern überraschend, als
bisher angenommen wurde, daß eine Absorberflüssigkeit bei einer direkten Wärmestrahlungsumsetzung
schwarz gefärbt sein müsse, was für wäßrige Nickelsalzlösungen jedoch keineswegs
zutrifft (diese dind leicht grUnlich).
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soMit wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß als Absorberfltssigkeit
in dem Flüssigkeitsbehältnis eine wäßrige Nickelialilösung benutzt wird. Vorzugsweise
handelt es sich hierbei Um eine wäßrige Nlekelchlorldldsung, die zu den besten Ergebnissen
führt. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, eine wäßrige Nickelsulfatlösung
zu benutzen. In jedem Fall ergeben sich hierbei wesentlich günstigere Temperatur-
und Energieverhältnisse als bei Verwendung von bisher schwarz gefärbten Absorberflüssigkeiten
in klaren Flüssigkeitsbehältnissen
und von normalem Wasser in schwarzen
Absorberbehältern.
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Vorzugsweise besitzt die Absorberflüssigkeit ein Mischungsverhältnis
von etwa 4 kg Nickelchlorid oder Nickelsulfat auf etwa 5 Liter Wasser. Hierbei ergeben
sich günstige Betriebsverhältnisse. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Absorberflüssigkeit
einen pH-Wert von 5,0 - 7,0 hat.
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Ferner hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung gezeigt, daß
es hinsichtlich der Temperatur- und Energieverhältnisse ausgesprochen vorteilhaft
ist, das Flüssigkeitsbehältnis und/oder eine Absorber- oder Reflektor-Rückwand zumindest
an der vorderseitigen Oberfläche mit Nickelsulfat zu behandeln. Zur praktischen
Durchführung ist es zweckmäßig, die zu behandelnde Oberfläche mit einem transparenten
bzw. durchscheinenden oder zumindest infrarotstrahlendurchlässigen, hitzebeständigen
Lack su behandeln und pulverförmiges Nickelsulfat auf den noch klebrigen Lack in
geringer Dichte auf zubringen. Diese Behandlung von Oberflächen führt zu einer Art
selektiven Schicht und zu einer deutlichen Verbesserung der Unsetzung der auftreffenden
Wärmestrahlung. Diese Oberflächenbehandlung ist nicht nur für Sonnenkollektoren
mit einer wäßrigen Nickelsalzlösung als Absorberflüssigkeit, sondern auch für sämtliche
andere Kollektorarten geeignet, wie schwarze Absorberbehältur mit Wasserinhalt.
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Vorzugsweise wird die Absorberflüssigkeit als Wärmezwischenträger
benutzt. Hierdurch wird vermieden, daß die Nickelsalzlösung den gesamten Heizkreislauf
durchströmen muß. Dieses kann zu erheblichen Kosteneinsparungen hinsichtlich der
notwendigen Menge der
Absorberflüssigkeit und der Materialeigenschaften
des vom Absorberkreislauf unabhängigen Heizkreislaufes führen.
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In weiterer Ausgestaltung besteht das FlUssigkeitsbehAltnis vorzugsweise
aus einem hitzebeständigen, transparenten bzw. durchscheinenden oder zumindest infrarotstræhlendurchlEssigen
Kunststoff. Gegenüber Glas besitzt dieses Material den Vorteil, daß es weniger leicht
bricht, preiswerter ist und stabiler ausgebildet werden kann.
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Vorzugsweise ist eine rückseitig thermisch isolierte Rückwand an der
der Wärmeeinstrahlungsseite des Fldssigkeitsbehältnisses abgewandten Seite vorgesehen.
Die Rückwand kann einen Abstand von dem Flüssigkeitsbehältnis haben und aber vorzugsweise
mit dem Flüssigkeitsbehältnis direkt verbunden, wie verklebt, sein. Hierdurch wird
ein besonders inniger Wärrnekontakt zwischen der RUckwand und der Absorberflüsaigkeit
geschaffen.
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Zur Ausnutzung der Wärmeenergie von direkt oder über die Absorberflüssigkeit
auf die Rückwand auftreffender Strahlung kann es vorteilhaft sein, die Rückwand
an ihrer Vorderseite als Reflektor auszubilden. Dabei kann sie einen ebenen oder
einen strahlungskonzentrierenden, gewölbten Reflektor darstellen. Dieser ermöglicht
ein Reflektieren der auftreffenden Infrarotstrahlung, die somit erstmalig oder nochmals
in die Absorberflüssigkeit eingeleitet wird, um den Wirkungsgrad zu vergrößern.
Im Falle der Ausbildung der Rückwand als Reflektor ist es je nach Anwendungsfall
zweckmßig, zwischen dem Reflektor und dem FltssigkeitsbehXltnis einen Zwischanraum
zz belassen.
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Stattdessen ist es auch möglich, die Rückwand mit einer schwarzen
vorderseitigen Absorberoberfläche auszubilden. Hierbei haben sich besonders günstige
Temperatur- und Energieverhältnisse ergeben, und zwar in Verbindung mit einer direkten
Anbringung des FlüssigkeitsbehEltnisæes an der Rückwand.
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Ferner hat es sich als zweckmäßig erwiesen, das FlUssigkeitsbehältnis
aus einem transparenten bzw. durchscheinenden Kunststoff-Schlauch herzustellen.
Dieser kann in vorteilhafter Weise schlangenförmig oder spiralig gewickelt sein.
Stattdessen kann in vorteilhafter Weise das Flüsaigkeitsbehältnis auch aus transparenten
bzw. durchscheinenden Kunststoff-Doppelstegplatten bestehen. Hierbei handelt es
sich um ein handelsübliches Produkt, das beispielsweise als stabile Terrasendachabdeckung
Verwendung findet und aus zwei parallelen Kunststoffplatten besteht, die von zueinander
parallel verlaufenden Stegen unter Abstand gehalten werden. Die Absorberflüssigkeit
kann in derartigen Doppelstegplatten in den von denSteeJenEbeqrenzten Kanälen strömen.
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Wenn es erwünscht ist, den sogenannten Treibhauseffekt zusätzlich
auszunutzen, ist es möglich, dem Flüssigkeitsbehältnis auf seiner Wärmeeinstrahlungsseite
ein transparentes bzw. durchscheinendes oder zumindest infrarotstrahlendurchlässigei
Abdeokelement mit Abstand vorzuschalten. Dieses führt zu einem Erwärmen des Zwischenraumes
hinter dem Abdeckelement und ZU einer Verminderung der Wärmeabstrahlung sowie -ableitung
an die Umgebung Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf zeichnerisch dargestellte
Ausfthrungsbelsplele näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 - einen
Teil eines geschnittenen Sonnenkollektors gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, Figur 2 - einen Teil eines geschnittenen Sonnenkollektors
gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und Figur 3 - in
einer schematischen Ansicht einen mit einem Rreislauf verbundenen Sonnenkollektor
gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß Figur 1 besitzt ein Sonnenkollektor ein Flüssigkeitsbehältnis
10, das in Pfeilrichtung A von einer Absorberflüssigkeit 11 durchströmt wird, bei
der es sich um eine wäßrige Nickelsalzlösung, vorzugsweise um eine wäßrige Nickelchloridlösung,
handelt.
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An seiner Rückseite ist das Flüssigkeitsbehältnis 10 mit einem Rückwand
12 versehen, hinter der sich eine Isolation 14 befindet.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Rückwand 12 direkt mit
dem Flüssigkeitsbehältnis 10 verbunden, beispielsweise verklebt. Andererseits könnte
auch ein Zwischenraum zwischen dem Flüssigkeitsbehältnis 10 und der Rückwand 12
vorhanden sein, wenn dieses erwünscht ist. Ferner befindet sich im vorliegenden
Fall vor dem Plüssigkeitsbehältnis 10 unter Abstand ein Abdeckelement 16. Dieses
ist wie auch das Flüssigkeitsbehältnis 10 transparent bzw. durchscheinend oder zumindest
infrarotstrahlendurchlässig.
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Bei der Ausführungaform aus Figur 1 sei angenommen, daß die Rtokwand
12 an ihrer Vorderseite schwarz ausgebildet ist. Die in Pfeilrichtung S auf die
Wärmeeinstrahlungsseite 18 auftreffende Wärmestrahlenenergie durchdringt das Abdeckelement
16 und das Flüssigkeitsbehältnis 10, um direkt in der Absorberflüssigkeit 11
absorbiert
zu werden, und zwar ohne wesentliches Erwähnen der vorgeschalteten IJandungen. Dabei
ist es natürlich von Vorteil, das Abdeckeleraent 16 und das Flüssigkeitsbehaltnis
10 derart auszubilden, dat möglichst wenig Strahlunqsenergie reflektiert wird.
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Es ist unvermeidbar, daß ein Teil der Wärmestrahlung auf die Rückwand
12 auftrifft. Da diese schwarz ist, kann sie die auftreffende Wärme strahlung absorbieren
und als Sekundärstrahler und/oder durch Wärmeleitung der Absorberflüssigkeit 11
zuführen.
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Ein Abstrahlen nach hinten ist wegen der Isolation 14 praktisch unmöglich.
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In Figur 2 ist dargestellt, daß das Abdeckeloment 16 aus Figur 1 fehlen
kann, wenn dieses erwünscht ist. Im übrigen untersclieidet sich die Ausführungsform
aus Figur 2 von derjenigen aus Figur 1 dadurch, daß das Flüssigkeitsbehältnis 10
und die Rückwand 12 jeweils zumindest an ihren in bezug auf die Wärmeeinstrahlungsseite
18 vorderseitigen Oberflächen mit einem temperaturmäßig und energetisch günstigen
Überzug versehen sind. Demnach besitzen die Rückwand 12 einen Rückwandüberzug 20
und das Flüssigkeitsbehältnis 10 einen Behälterüberzug 22, Diese Überzüge werden
dadurch hergestellt, daß die zu beschiahtende Oberfläche mit einem geeigneten hitzebeständigen,
infrarotstrahlendurchlässigen Lack behandelt, wie besprüht oder überstrichen, wird,
wobei auf den noch klebrigen Lack in geringer Dichte Nickelsulfatpulver aufgebracht
wird. Diese Überzüge können wegen der geringen Dichte des Nickelsulfats nach wie
vor transparent bzw. durchscheinend sein.
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Auch bei der Ausführungsform aus Figur 2 kann die Rückwand 12 vorderseitig
schwarz sein und beispielsweise aus Metall bestehen,
um eine gute
Wärmeabsorptionsfähigkeit sicherzustellen. Die gespeicherte wärmeenergie kann dann
durch Wärme strahlung und/oder -leitung in die Absorberflüssigkeit 11 eingeleitet
werden. Stattdessen ist es jedoch auch möglich, die Rückwand 12 vorderseitig als
ebenen oder gewölbten Reflektor auszubilden, um die auftreffende Wärmestrahlung
in die Absorberflüssigkeit 11 zu reflektieren. Insbesondere in diesem Fall kann
es zweckmäßig sein, zwisehen der Pückwand 12 und dem Flüssigkeitsbehältnis 10 einen
Abstand vorzusehen. Unabhängig davon, ob dia Rückwand 12 vorderseitig als Reflektor
oder als schwarze Fische ausgebildet ist, ist der in der genannten Weise ausgebildete
PckwandUberzuq 20 äußerst vorteilhaft.
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In Figur 3 ist schematisch dargestellt, daß auf einer Rückwand 12
ein Flüssigkeitsbehältnis 10 in Form eines schlangenförmig gewundenen und aus Kunststoff
bestehenden Schlauches 24 aufgeklebt ist.
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Die Enden des Schlauches 24 sind durch die Rückwand 12 und deren rückseitige
Isolation geführt und mit jeweils einem Ablauf 26 sowie einem Zulauf 28 verbunden.
Damit bildet der Sonnenkollektor einen Tell eines Absorberkreislaufes 30, in dem
die wäßrige ikkelsalzlösung zirkulieren kann, wenn eine temperaturgesteuerte Pumpe
Pbeim?Uberschreiten einer Temperatur T1 eingeschaltet wird.
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Die Pumpe P kann von einem nicht dargestellten Zweipunkt-Thermostatschalter
geschaltet werden, der auf die Temperatur der Absorberflüssigkeit anspricht.
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Im Absorberkreislauf 30 befindet sich ferner ein Wärmeaustauscher
34, der den Absorberkreislauf 30 mit einem Heizkreislauf 32 koppelt. Im letzteren
befindet sich eine temperaturgesteuerte Pumpe
P. Diese kann bei
Unterschreiten einer Temperatur T2, beispielsweise einer Raumtemperatur, eingeschaltet
werden, um das im WErmeaustauscher 34 erwärmte Heizwasser des eizkreislaufes 32
durch Heizkörper P zu leiten.
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Die dargestellten Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft und
können in vielfältiger Weise abgewandelt werden. Wichtig ist dabei jedoch, daß statt
einer schwarzen Absorberflüssigkeit eine wäßrige Nickelsalzlösung benutzt wird,
die zu günstigeren Temperatur- und Energieverhältnissen führt.