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Sonnenkollektor, Verfahren zu seiner
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Herstellung und Anwendung des Sonnenkollektors Das steigende Energiebewußtsein
hat zu einer Fülle von vorschlägen für die Nutzung der Sonnenenergie geführt. Wesentlicher
Teil der Anlagen zur Nutzung der Sonnenenergie sind Sonnenkollektoren. Zwei wesentliche
Bauprinzipien für den Bau von Sonnenkollektoren arbeiten nit flachen Sonnenkollektoren
und gewölbten Parabolspiegeln. Flache Kollektoren sind relativ preiswert, sie haben
aber einen relativ geringen Wirkungsgrad. Parabolspiegel haben als Teile von Sonnenkollektoren
einen wesentlichen besseren Wirkungsgrad, sie sind aber relativ teuer. Außerdem
ist auch ihr Retrieb relativ teuer, weil sie dem Sonnenstand nachgeführt werden
müssen, wenn die Einstrahlung des Sonnenlichtes für möglichst lange Zeit optimal
ausgenutzt werden soll.
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Als eine Sonderkonstruktion ist in letzter Zeit ein trichterförmiger
Kollektor vorgeschlagen worden, auf dessen verspiegelte Innenwand die Sonnenstrahlen
zum Auftreffen gebracht und mehrfach umgelenkt werden, um vom Rand des Trichters
her bis zur engsten Trichterstelle eine Konzentration zu erfahren, wodurch ein relativ
hoher Wirkungsgrad erreicht wird und auch relativ schwaches Sonnenlicht so konzentriert
wird, daß es z.B. zum Beheizen von Brauch-Wasser mit deutlichem Ergebnis angewendet
werden kann. Der Wirkungsgrad liegt über dem Wirkungsgrad der Flachkollektoren,
er iibertrifft gegebenenfalls sogar den llirkungsgrad der mit Parabol spiegeln arbeitenden
Kollektoren. Andererseits ist aber die Herstellung dieser Ausführungsform wiederum
sehr teuer und der trichterförmige Spiegel bzw. Kollektor muß dem Sonnenstand nachgefahren
werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Flachkollektor so
auszllgestalterl, dan ohne wirtschaftlich -nicht vertrcth,lrc Verteuerung der Wirkungsgrad
wesentlich verbessert wird.
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Im wesentlichen wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine flache,
ebene Plattenstruktur von einer Vielzahl von schwach-konischen Trichtern durchsetzt
ist, deren Längsachsen senkrecht zur Plattenebene liegen und deren Innenseiten verspiegelt
sind.
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Eine solche Kollektorplatte ist baulich einfach und damit preisgünstig
herzustellen, die Trichter können beispielsweise aus einer vollen Platte in einem
Arbeitsgang ausgestanzt
werden, insbesondere wenn es sich um eine
Metallplatte handelt. Handelt es sich, was ebenfalls ohne weiteres möglich ist,
um eine Platte aus einem Kunststoff, so ist es unter Umständen zweckmäßiger, die
Platte zu gießen und dabei dieTrichter von Anfang an einzugießen.
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In jedem Fall kann die ebene Platte in einer Technik hergestellt werden,
die keinerlei Probleme hietet und demzufolge preiswert ist. Andererseits ist die
Platte mit der Vielzahl der Trichter in hohem Maße wirksam, um die Sonnenstrahlen
nutzbar zu machen. Jeder Trichter fängt einen Teil des Sonnenlichtes an seinem weiteren
Ende ein, die Sonnenstrahlen werden durch vielfache Brechung an den verspiegelten
Tri chterwänden zum engeren Tri chterende geführt und stehen dort hoch konzentriert
zur Beheizung eines geeigneten Mittels zur Verfügung. Andererseits wird eine Wärmeabstrahlung
des Mittels nach außen unterbunden, so daß die vom jeweiligen Mittel aufgenommene
Wärme nahezu vollständig in diesem genutzt wird. Gegenüber bisherigen Systemen wird
also einerseits eine Verbilligung andererseits eine Wirkungsverbesserung erzielt.
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Um die angestrebte, oben beschriebene Wirkung zu erzielen, soll der
Kegelwinkel jedes Trichters im Bereich zwischen 3 und 4 liegen, es soll sich also
um einen sehr schlanken Trichter handeln.
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Um das einfallende Sonnenlicht über einen möglichst großen Bereich
des Sonnenstandes gut ausnützen zu können, ist an das weitere Trichterende in weiterer
Ausgestaltung der Erfindung ein zylindrischer Abschnitt angesetzt, dessen Querschnitt
dem Trichterquerschnitt am weiteren Trichterende
entspricht. Durch
diese einfache und demzufolge kostengünstig anwendbare Maßnahme kann eine erhebliche
Verbesserung der Ausnützung der Sonnenscheindauer erzielt werden. Es ist damit zi
rechnen, daß nur eine relativ kurze Zeitspanne unmittelbar nach Sonnenaufgang und
unmittelbar vor Sonnenuntergang nicht erfindungsgemäß ausgenutzt werden können.
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In entsprechender Weise kann sich an das engere Trichterende ein zylindrischer
Abschnitt anschließen, dessen Querschnitt dem Trichterquerschnitt am engeren Trichterende
entspricht, das im Einbauzustand der Sonneneinstrahlung abgekehrt ist wie sich aus
den bisherigen Ausführungen ohne weiteres ergibt. Dieser zylindrische Abschnitt
schließt eine unerwünschte Wärmerückstrahlung in den Trichter weitestgehend atis.
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Das mit den Sol arstrahl en aufzuheizende Mittel kann unmittelbar
Teil einer entsprechenden Anlage sein, was noch ZU erläutern sein wird. Um jedoch
eine möglichst vielseitig als Modul verwendbare Absorberplatte zu haben, wird in
weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, die von Trichtern durchsetzte
Platte auf der Seite der kleineren Trichterquerschnitte durch eine Platte als wärmeaufnehmendes
und wärmeleitendes Mittel abzudecken, wobei diese Platte wesentlich dünner als die
von Trichtern durchsetzte Kollektorplatte ist und gegebenenfalls sogar den Charakter
einer aufgezogenen Folie hat. Sie soll vorzugsweise aus gut wärmeleitendem Metall
bestehen, insbesondere aus Kupfer oder Aluminium,
um den Rahmen
der geforderten Preiswürdigkeit nicht zu sprengen. In jedem Fall muß aber die Platte
oder auch ein anderes wärmeleitendes metall dunkel gefärbt sein.
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Als Verfahren zur Herstellung einer Kollektorplatte gemäß der Erfindung
kommt insbesondere, wie bereits erwähnt, das Herausstanzen der Trichter aus einer
vollen Platte in Frage. Auf die derart gestanzte Platte wird dann das wärmeleitende
Metall aufgezogen.
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Die erfindllngsgenzäße und erfi ndungsgemäß hergestellte Kollektorplatte
kann nun in vielerlei Form angewendet werden, d.h. überall dort, wo Solarstrahlen
eingefangen werden sollen, um ihre Wärme nutzhar zu machen.
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So kann die Kollektorplatte beispielsweise die der Sonne zugekehrte
Oberseite eines Strömungskanales sein, durch den ein fließfähiger, insbesondere
flüssiger Wärmeträger geführt wird, um aufgeheizt zu werden. Der an der unterseite
der Kollektorplatte vorbeiströmende Wärmeträger erwärmt sich an der Abdeckplatte
der Kollektorplatte, un die aufgenommene Wärme an einer beliebigen anderen Stelle
abzugeben. Der Wärmeträger kann beispielsweise warmes Brauch-Wasser in Haushalt
und Industrie oder das Betriebsmittel einer Warmwasserheizung sein. Für die Effizienz
ist es dabei wichtig, -daß der Heizungskanal relativ flach mit rechteckigem Querschnitt
ist, wobei eine der beiden größeren Seitenwände von der erfindungsgemäßen Kollektorplatte
gebildet wird.
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Ein besonderer Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Kollektorplatte
ist eine Anlage zur Gewinnung von Wasser aus der Luft gemäß den Ansprüchen 14 bis
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Mit einer erfindungsgemäßen Kollektorplatte kann die Effizienz einer
solchen Anlage in erheblichen Maße verbessert werden, d.h. die Wasserausbeute wird
sehr deutlich verbessert.
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Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung noch näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße
Kollektorplatte nach der Linie I-I in Fig. 2, Fig. 2 die Kollektorplatte der Fig.
1 in der Draufsicht, Fig. 3-6 verschiedene Ausgestaltungen der die Kollektorplatte
durchsetzende Trichter, Fig. 7,8 zwei Anwendungsfälle der erfindungsgemäßen Kollektorplatte.
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Gemäß Fig. 1, 2 ist eine ebene Platte 1 von einer Vielzahl von Trichtern
2 in vertikaler Richtung durchsetzt. Jeder Trichter hat einen polygonalen Querschnitt.
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Insbesondere soll der Querschnitt sechseckig sei-n, so daß die Trichter
unmittelbar aneinander liegen. Die
Innenseite der Trichter ist
durch eine Auflage 3 verspiegelt. Die Seite der Platte mit dem größeren Tri chterquerschn
itt ist in Einbauzustand der Sonneneinstrahlung zugekehrt gedacht, während der Trichter
auf der Gegenseite durch eine dunkle, gut wärmeleitende Platte . abgedeckt ist,
ZweckmäZiger-, jedoch nicht notwendigerweise ist die Seite der Kollektorplatte mit
den größeren Trichterquerschnitten durch eine lichtdurchlässige Platte, beispielsweise
eine Glasplatte 5 abgedeckt. Unabhängig von der sonstigen Ausgestaltung betränt
der Kegelwinkel Cc der Trichter 3 bis 4 (Fig. 3). Dabei kann die trichterförmige
Erweiterung an der "oberen" Plattenseite beginnen und an der "unteren" Platten-Seite
enden (Fig. 3). IJm einen Richtwert zu geben, kann eine Sonnenscheindauer während
5 bis 6 Stun(len ausgenutzt werden. Um diese Zeit auf 7 bis 8 Stunden zu verbessern,
kann sich an das obere Trichterende ein zylindrischer Abschnitt 6 anschließen, dessen
Querschnitt des Trichters an weiteren Trichterende entspricht (Fig. 4). Ein entsprechender
zylindrischer Abschnitt 7 am Ende des Trichters mit dem kleineren Querschnitt und
im Querschnitt diesem entsprechend (Fig. 5) verhindert eine Wärmeemission von der
Platte 4 aus in die Trichter zurück.
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Es kann je nach dem gewünschten Effekt einer dieser zylindriscllen
Abschnitte vorgesehen werden (Fig. 4 oder Fig. 5) oder es können beide Abschnitte
6, 7 gleichzeitig angewendet werden. (Fig. 6). In Fig. 6 ist auch der Verlauf eines
Solarstrahlers 8 im
Trichter dargestellt. Bei wiederholter Strahlumlenkung
an den verspiegelten Innenseiten der Trichter gelangt der Sol arstrahl vorn oberen
zum unteren Trichterende, um die Abdeckplatte 4 aufzuheizen. Diese kann ihrerseits
die aufgenommene Wärme an das unter ihr liegende, aufzuheizende Teil abgeben. Dabei
kann es sich beispielsweise um zu erwärmendes Brauch-Wasser handeln, das in einem
flachen rechteckigen Kanal zu einer Bedarfsstelle gefördert wird, wobei die größere,
der Sonne zugekehrte Deckfläche des Kanals von einer erfindungsgemäßen Collektorplatte
gemäß 7 bis 8 gebildet wird.
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Ein besonderer Anwendungsfall ist in Fig. 7 dargestellt.
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Whrmespei c hertonden satoren 10, 70 sind ini t Abstand über dem Roden
eines Gehäuses oder Bauwerks mit den Außenwänden 30, 40 angeordnet. In den Außenwänden
30, 40 und einer Zwischenwand 50 sind Ventilatoren 60, 70, 80 mit jeweils zugeordneten
Klappen 90, 100, 110 für die Luftbewegung angeordnet. ber den llärmespeicherkondensatoren
10, 20 ist ein Plattenschieber 120 angeordnet, der je nach Phase des Verfahrenszyklus
über den einen oder den anderen Wärmespeicherkondensator mittels nicht dargestellter
konventioneller hydraulischer oder elektrischer Bewegungsmittel geschoben wird.
Als Alternative zu dem Pl attenschi eber 120 kann auch ein Klappenmechanismus 13
verwendet werden, der sich über beide
Wärmespeicherkondensatoren
10 und 20 erstreckt und bei dem die sich über dem einen Wärm-espeicherkondensator
und über dem anderen Wärmespeicherkondensator hefindlichen Klappen wechselweise
je nach Phase des Verfahrenszyklus in eine Uffnungs-und Schließstellung bewegbar
sind. Ober dem Plattenschieber 120 ist mit Abstand der Adsorber 140 angeordnet,
der aus einem Behälter aus Aluminium besteht und in den Sil-ikagel als hygroskopisches
Mittel eingefüllt ist. Im oberen Bereich des Bauwerks sind Ventile 150 bis 180 für
die Luftführung vorgesehen. Jeder Wärmespei c herkondensator 10 bzw. 20 bestht aus
einer Viel -zahl von senkrechtstehenden mit Abstand voneinander angeordneten, Luftdurchtrittskanäle
bildenden Platten aus Stein, die jeweils an ihre oberen Ende zugespitzt sind, so
daß je zwei nebeneinander stehende Platten mit ihren oberen Enden einen Diffusor
bilden. Auf den Spitzen der Platten der Wärmespeicherkondensatoren 10 und 20 liegt
ein Filtergewebe 190.
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Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist wie folgt: Nach einer gegebenenfalls
mehrtägigen Luftumwälzung durch den Ventilator 80 über den Wärmespeicherkondensator
20 bei über den Wärmespelcherkondensator 10 geschobenem Schieber 120, bei offenen
Ventilen 110, 160 und 170 zur Vorwärmung des Wärmespeicherkondensators 20 be ginnt
das Verfahren mit der ersten Phase dadurch, daß kühle feuchte Außenluft von dem
Ventilator 6 bei nach rechts geschobenem Schieber 120 und bei geschlossenen Ventilen
70, 110 und 160 durch den Wärmespeicherkondensator 10 und durch den Adsorber 140,
der Wasser aufnimmt, und
dann durch die offenen Ventile 170 und
180 ins Freie geführt wird. Diese erste Phase erfolgt vorzugsweise nachts bis zu
10 Stunden lang.
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In der nachfolgenden zweiten Phase des Verfahrenszyklus, die vorzugsweise
tdgsWiber stattfindet, wird je nach Wetterlage die Luft durch die beiden Wärmespeicherkondensatoren
10 und 20 llntl den Adsorber 140 in einem geschlossenem Kreislauf, in einem halboffenen
Kreislauf unter Beimischung von Außenluft oder in einem vollständig offenen Kreislauf
geführt, wobei in jedem Falle die Platte 120 über den Wärmespeicherkondensator 2
geschoben ist.
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Im geschlossenen Kreislauf wird bei offenen Ventilen 100, 150 und
160 die Luft durch den Ventilator 7 von unten nach oben durch den Wärmespeicherkondensator
20, dann von oben nach unten durch den Adsorber 140 und zuletzt von oben nach unten
durch den Wärmespeicherkondens-ator 10 umgewälzt, wobei der umgewälzte Luft strom
in dem Wärmespei cherkond<n sator 20 vorgewärmt, dann durch die in das Bauwerk
einfallenden Sonnenstrahlen nachgeheizt, im Adsorber befeuchtet und im Wärmespeicherkondensator
1 zur Kondensation der Feuchtigkeit abgekühlt wird. Das im Wärmespeicherkondensator
10 niedergeschlagene Wasser läuft nach unten ab, wo es gesammelt und abgeleitet
wird.
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Rei dem halboffenen Kreislauf wird ein Teil des
umgewälzten
Luftstromes bei eingeschaltetem Ventilator 6 und offener Ventilklappe 9 ins Freie
abgeführt. Der abgeführte Teil des umgewälzten Luftstro-mes wird ersetzt durch einen
entsprechenden Teilluftstrom, der durch die offene Klappe 110 und den eingeschalteten
Ventilator 80 eingeführt wird.
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Beim offenen Kreislauf wird Außenliift durch die offene Klappe 110
und den angestellten Ventilator 80 in das Bauwerk eingeführt, von unten nach oben
durch den Wärmespeicherkondensator 20 geleitet, dann von oben nach unten durch den
Adsorber 140 gedrückt, dann von oben nach unten durch den Wärmespeicherkonden sator
10 geführt und zuletzt durch die offene Klappe 90 von dem Ventilator 6 ins Freie
gedrückt.
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In der dritten Phase des Verfahrenszyklus ist die Platte 12 über den
ärespeicherkondensator 10 geschoben und kühlt feuchte Luft wird bei geschlossenen
Ventilen 70 und 90 durch das offene Ventil 110 in das Rauwerk eingefiihrt, von unten
nach oben durch den Wärmespeicherkonden-sator 20 geleitet und dann von unten nach
oben durch den Adsorber 140 gedrückt, bevor sie durch die offenen Ventile 170 und
180 das Bauwerk wieder verläßt.
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Die dritte Phase findet wie die erste Phase des Verfahrenszyklus vorzugsweise
während der Nacht statt.
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In der folgenden vierten und letzten Phase erfolgt die Luftführung
wie in der zweiten Phase nur in umgekehrter
Richtung, wobei die
Platte 120 über den Wärme speicherkondensator 1 geschohen ist. Das Wasser kondensiert
jetzt im Wärmespeicherkondensator 20, und die umgewälzte Luft wird im llärmespeicherkondensator
10 vorgewärmt.
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Die Einwirkung der Sol arstrahl en auf das Silikagel in dem Adsorber
140 wird nun dadurch verstärkt, daß das Bauwerk nach oben mit einer Kollektorplatte
1 gemäß der Erfindung abgedeckt ist. Die Kollektorplatte soll dabei mit möglichst
geringem Abstand über dem Silikagel 140 angeordnet sein, so daß zwischen der Kollektorplatte
1 und dem Silikagel ein intensiver Wärmeaustausch stattfinden kann. Die untere Abdeckpl
atte 4 kann weggelassen werden, wenn das Silikagel schwarz eingefärbt ist, wodurch
ein hesonders verl ustfreier Wärmeaustausch zwischen Sonneneinstrahlung und Silikagel
stattfindet.
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Die obere lichtdurchlässige Abdeckplatte 5 deckt das ganze System
nach oben, db.
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Bei der Lösung nach ici g . 8 ist eine vereinfachte bLe Auordnung
gemäß Fig. 7 schräg angeordnet und die Abdeckung aus der erfindungsgemäßen Kollektorplatte
1 ist seitlich pultdachartig herabgezogen, so daß dort zwischen der Kollektorplatte
und Seitenwänden eine Kammer 200 zum Vorwärmen der in die eigentliche Vorrichtung
gelangende Luft entsteht. Die eigentliche Vorrichtung ist gegenüber der Lösung nach
Fig. 7 insoweit vereinfacht, als keine Umschaltung zwischen zwei Wärmespeicherkondensatoren
10, 20 sondern nur ein Wärmespeicherkondensator 10 vorgesehen, der abwechselnd beschickt
wird.