DE2951869A1 - Sonnenkollektor-speicher-einheit mit thermo-siphon-effekt - Google Patents

Description

• Sonnenkollektor-Speicher-Einheit mit Thermo-Siphon-Effekt
• Die Erfindung betrifft einen glockenförmigen Sonnenkollektor, der im Inneren gleichzeitig den dazugehörigen Speicher enthält und ohne Hilfsenergie zur Erwärmung von Brauch- und Heizwasser eingesetzt werden kann.
• Zweck der Erfindung ist es, - durch die Glockenform bei jedem Sonnenstand den vollen Querschnitt des Behälters optimal als Absorberfläche zur Verfügung zu haben, - durch die Kombination von Kollektor und Speicher in einer Einheit mit kleinem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen die betrieblichen Wärmeverluste zu verringern, - durch die einfache konstruktive Lösung mit geringem Materialaufwand und ohne Hilfsenergie selbsttätig eine optimale Ausnutzung der Sonnenenergie und Ladung des Speichers zu erreichen.
• Sonnenkollektoren sind entweder als Flachkollektoren fest montiert oder werden mit aufwendigen Konstruktionen als Flachkollektoren oder konzentrierende Kollektoren der Sonne nachgeführt. Der fest montierte Flachkollektor erreicht aufgrund seiner Neigung nur zu einer bestimmten Jahreszeit und aufgrund des Tageslaufes der Sonne dann auch nur zu einer bestimmten Stunde die optimale senkrechte Einstrahlung auf die Absorberfläche. Jede Abweichung von dieser Senkrechten bringt Leistungseinbußen im Verhältnis zum Einstrahlungswinkel.
• Nachgeführte Kollektoren können bis zu 50 % mehr Sonnenenergie aufnehmen, erfordern aber für die Nachführung erheblichen konstruktiven Mehraufwand und sind zudem aus gestalterischen Gründen für eine breite Anwendung in Wohngebieten ungeeignet. Konzentrierende Kollektoren, die das einstrahlende Licht über spiegelnde Reflektoren auf einen punkt- oder rohrförmigen Absorber bündeln, können dort zwar höhere Temperaturen erzeugen, aber nur direkte Strahlung in Wärme umwandeln, während der hohe Anteil an diffusem Licht (in Mitteleuropa bis zu 60 %) kaum genutzt werden kann.
• Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen einfachen, also starren Kollektor darzustellen, der dem Sonnenlicht zu jeder Jahres- und Tageszeit die größtmögliche Fläche darbietet.
• Die Kugel wird diesem Anspruch geometrisch exakt gerecht, der Kegel bietet dagegen im Verhältnis zur Oberfläche (ohne Berücksichtigung der Standfläche) einen größeren Aufnahmequerschnitt. Aus diesen und aus praktischen Erwägungen der Standfestigkeit usw. wird hier ein glockenförmig abgerundeter Kegel verwendet.
• Diese Glocke kann aus Metall oder Kunststoff sein, ist schwarz oder selektiv zu beschichten und ggf. mit einer oder mehreren transparenten Abdeckungen zu versehen. Es genügt jedoch nicht, einen derartigen Behälter aufzustellen und mit Wasser zu füllen, denn die Wärmeverluste an der Schattenseite würden den Wärmegewinn durch Einstrahlung aufzehren. Auch würde sich eine überhaupt nutzbare Temperatur wegen der ständigen Durchmischung im Speicher nur sehr schwer einstellen.
• Aus diesem Grunde darf der Wasser (oder eine andere Wärmeträgerflüssigkeit) führende Absorber nur einen geringen Inhalt haben und muß das erwärmte Medium so abgeben, daß es sich nicht sofort wieder mit dem kalten vermischt, sondern eine Temperatur-Schichtung im Speicher erlaubt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die zu erwärmende Wassermenge immer nur gering und dennoch in einer großen Fläche unter dem Glockenmantel zirkuliert, also vom Inneren abge-~ trennt ist, wobei sich dieser Innenraum als Speicher anbietet.
• Diese Kombination wird nun erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß sich in der Glocke eine ebenfalls glockenförmige Wärmedämmschicht (1) befindet, die unten und oben offen ist und zum Glockenmantel hin nur einen schmalen, röhrenartigen Durchlaß (2) von unten nach oben zuläßt, wobei die Dämmschicht entweder fest montiert ist oder durch Beschweren in einem Schwebezustand gehalten wird. In beiden Fällen ist es wichtig, daß die Dämmschicht etwa 1 mm über den Wasserspiegel des Speichers hinausragt.
• Damit wird folgender Effekt erzielt: Auf der Seite, auf der die Sonne das zwischen Dämmschicht und Mantel befindliche Wasser erwärmt, wird dieses spezifisch leichter als der Speicherinhalt (3), so daß die Wassersäule in dem kommunizierenden Gefäß über die Wasseroberfläche des Speichers steigt und demzufolge über die Dämmschicht hinweg langsam in den oberen Teil des Speichers fließt. Dies hat zur Folge, daß vom unteren Speicherteil kaltes Wasser uhter der Dämmschicht hindurch nach außen strömt. zum besseren Aufrechterhalten einer Schichtung im Speicher können Trennscheiben mit kleinen Durchlässen (z.B. zylindrisch oder leicht geneigt)in den Speicher eingebaut werden.
• Dieser Thermo-Siphon-Effekt ist bekannt und wird bereits in Solaranlagen zum Schwerkraftbetrieb des Kollektor-Speicher-Kreislaufes angewandt. Dabei sind Kollektor oder Speicher jedoch in der Regel getrennt oder der Speicher ist mit einem Flachkollektor als Einheit verbunden.
• Die mit dieser Erfindung erreichte Lösung bietet nun für die Energieausbeute den entscheidenden Vorteil, daß über den gesamten Jahres-und Tagesverlauf bei jedem Sonnenschein immer ein Teil der Oberfläche optimal zur Sonne ausgerichtet ist und der Kollektor, sich ständig selbst regelnd, jeweils von diesem Teil auf den Speicher arbeitet.
• Es fließt nämlich nur von der Seite Wasser von außen über die Dämmschicht, an der dieses Wasser erwärmt wird.
• Gleichwohl sind die Wärmeverluste auf der Schattenseite deshalb gering, weil die Dämmschicht den Speicherinhalt schützt und nur die geringe außenliegende Wassermenge abkühlt. Diese mischt sich auch dann nicht wesentlich mit dem Speicherinhalt, wenn dieser bereits eine erheblich höhere Temperatur aufweist, weil ein umgekehrter Kreislauf, der warmes Wasser vom oberen Speicherrand über die Dämmschicht nach außen treten ließe, infolge des erheblich größeren Speicherinhalts nicht stattfindet: die Oberfläche des Speicherwassers bleibt stets unter der Oberkannte der ihren Schwebezustand beibehaltenden oder - bei fester Montage - durch einen ueberlauf gewährleistenden Dämmschicht.
• Ein Schwimmer (4) in der oberen Öffnung der Dämmschicht, dessen Hauptfunktion darin besteht, den Wasserspiegel des Speichers bei jeder Entnahme durch öffnen des Kaltwasserventils (5) exakt zu halten, kann so gebaut sein, daß er bei einem Absinken der beweglichen Dämmglocke diese Öffnung schließt und damit auch ein Austreten von Warmwasser aus dem Speicher verhindert.
• Neben der höheren Energieausbeute ist ein entscheidender VorteIl dieser Lösung der geringe Konstruktions- und Materialaufwand sowie die aufgrund der Betriebsweise breite Anwendbarkeit ohne Hilfsenergie und Wartungsaufwand.
• Die Sonnenkollektor-Speicher-Einheit läßt sich auf allen ebenen Flächen, insbesondere Flachdächern, Terrassen usw. aufstellen und z.B. aus Kunststoffschalen kostengünstig in großen Serien herstellen.
• Die Glocke kann auch auf der Nordseite abgeflacht oder gar halbiert sein, z.B., wenn sie an eine Mauer angrenzen soll.

Claims (1)

1. Patentansprüche Sonnenkollektor-Speicher-Einheit mit Thermo-Siphon-Effekt, gekennzeichnet durch 1) eine kegel- oder glockenartige Form, die während jeder Jahres-und Tageszeit die gleiche Aufnahmefläche für direkte Sonnenstrahlung bietet, wobei die Form an der Rückseite (Norden) angeschnitten sein kann, 2) eine in diese Form so eingepaßte zweite Glocke aus Dämmstoff, die unten und oben offen ist und ein flüssiges Medium aus dem innen liegenden Speicher durch röhrenförmige Zwischenräume zwischen Glockenmantel und Dämmstoffglocke bei Erwärmung aufgrund des ! Schwerkraftprinzips von unten nach oben strömen und in einen Kreislauf mit dem Speicherwasser treten läßt, so daß sich dieser von oben beginnend langsam und eine Temperaturschichtung ermöglichend aufheizt, wobei die Dämmstoffglocke in der Weise fest montiert oder in der Flüssigkeit schwebend sein kann, daß sie stets etwa 1 mm über den Flüssigkeitsspiegel des Speichers hinausragt und somit einen Strom in entgegengesetzter Richtung verhindert, 3) einen Schwimmer, der bei Flüssigkeitsentnahme aus dem Speicher das Ventil eines Kaltwasserzulaufes so lange offen hält, bis der gleiche Flüssigkeitsspiegel wieder erreicht ist, wobei der Schwimmer die obere Öffnung in der Dämmstoffglocke abschließen kann, sobald dieser Spiegel die Höhe des oberen Randes des Dämmstoffes erreicht hat.