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Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor mit einem
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wannenförmigen, einseitig mit einer sonnenlichtdurchlässigen Wand
verschlossenen Gehäuse und einem innerhalb dieses Gehäuses. angeordneten, von einem
Fluid durchströmten Kollektorelement, welches mit einem Zulaufrohr und einem Ablaufrohr
für das Fluid versehen ist.
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Derartige Sonnenkollektoren werden nach dem Stand der Technik beispielsweise
zur energiesparenden Erwärmung von Brauchwasser verwendet.
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Es ist bereits eine Vielzahl von Ausführungsformen solcher Sonnenkollektoren
bekannt, bei denen im allgemeinen unter Ausnutzung des Treibhauseffekts im Inneren
des Gehäuses ein von Wasser durchströmtes Kollektorelement erwärmt wird.
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Das Kollektorelement ist gewöhnlich zur Erhöhung des Wirkungsgrades
mit einer möglichst großen Oberfläche ausgebildet, vorzugsweise als flohrschlange
aus einem Rohr geringen Querschnitts und kleiner Wandstärke. Eine derartige Schlangenkonstruktion
benötigt zur Erzielung der erforderlichen Stabilität Verstrebungselemente und ist
insgesamt recht aufwendig in der Herstellung, so daß sich hohe Kosten ergeben. Vor
allem aber erweist es sich in der Praxis als nachteilig, daß ein als Rohrschlange
ausgebildetes Kollektorelement dem hindurchgeleiteten Fluid einen beträchtlichen
Strömungswiderstand entgegensetzt. Zur Oberwindung dieses Strömungswiderstandes
ist eine entsprechend leistungsfähige Pumpe für das Fluid erforderlich, die ihrerseits
mit hohen Anschaffungskosten verbunden ist und zudem einen beträchtlichen Energieverbrauch
hat, der den Gesamtwirkungsgrad des Sonnenkollektors vermindert.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht somit darin, einen
Sonnenkollektor der eingangs genannten Gattung zu schaffen, der bei hohem Wirkungsgrad
einen geringen Strömungswiderstand aufweist.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Kollektorelement
als plattenförmiger Hohlkörper mit in Sonneneinstrahlungsrichtung geringer lichter
Weite ausgebildet ist, und daß der Zulauf des Fluids im unteren Teil und der Ablauf
des Fluids im oberen Teil des Kollektorelements vorgesehen sind.
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Diese erfindungsgemäße Ausbildung eines Sonnenkollektors zeichnet
sich durch einen konstruktiv besonders einfachen Aufbau aus, der fertigungstechnisch
günstig ist und daher nur geringe Herstellungkosten erfordert.
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Wesentlich ist dabei, daß das Fluid, wie beispielsweise Wasser, im
unteren Teil des Kollektorelements in dessen Innenraum eingeführt und im oberen
Bereich abgezogen wird.
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Durch diese Maßnahme gelangt das kalte Fluid unten in das Kollektorelement
hinein, wird erwärmt und steigt während der Erwärmung langsam nach oben zum Ablauf.
Der Transport des Fluids durch das Kollektorelement hindurch wird somit durch die
Eigenkonvektion des Fluids bei Erwärmung beträchtlich unterstützt. ueberdies weist
das Kollektorelement einen sehr großen Strömungsquerschnitt auf, da der plattenförmige
Hohlkörper zwar eine geringe lichte Weite in Sonneneinstrahlungsrichtung aufweist,
jedoch senkrecht hierzu sehr breit ist. Dadurch ergibt sich für das Fluid ein sehr
geringer Strömungswiderstand, der es ermöglicht, bei hoher Durchsatzleistung mit
geringem Fluiddruck zu arbeiten, so daß der Sonnenkollektor beispielsweise ohne
Pumpe unmittelbar am Wassernetz betrieben werden kann, oder aber nur eine Pumpe
geringer Leistung und geringen Energieverbrauchs benötigt.
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Als besonders vorteilhaft erweist es sich dabei, daß das als plattenförmiger
Hohlkörper ausgebildete Kollektorelement in Sonneneinstrahlungsrichtung eine nur
geringe lichteWeite aufweist, da hierdurch eine rasche und intensive Erwärmung
des
durchströmenden Fluids begünstigt wird. In der Praxis ergibt sich dadurch für den
erfindungsgemäßen Sonnenkollektor ein im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen
bemerkenswert verbesserter Wirkungsgrad.
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Bevorzugt ist das Kollektorelement länglich rechteckig ausgebildet
und im Gebrauch derart ausgerichtet, daß sich seine Längsränder entsprechend der
geographischen Breite im Winkel aufrechtstehend nach oben erstrecken.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Zulaufrohr
ausgehend von einer oberen Ecke des Kollektorelements einen entlang des zugehörigen
Längsrandes verlaufenden Vertikalschenkel und einen sich entlang des unteren Randes
im Innenraum des Kollektorelements erstreckenden Horizontalschenkel umfaßt, und
daß der an seinem freien Ende verschlossene Horizontalschenkel über seine Länge
hinweg verteilt eine Vielzahl von Zulauföffnungen für das Fluid aufweist. Bei dieser
Ausgestaltung ist sichergestellt, daß der Zulauf des kühlen, zu erwärmenden Fluids
gleichmäßig entlang des unteren Randes des Innenraums des Kollektorelements erfolgt.
Vorteilhafterweise kann dabei das Zulaufrohr bereits an der oberen Ecke in den Innenraum
des Kollektorelements eintreten, wobei dann der Vertikalschenkel im Innenraum nach
unten verläuft und somit bereits durch das Fluid im Innenraum vorgewärmt wird.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors
zeichnet sich dadurch aus, daß das Ablaufrohr als zum Innenraum des Kollektorelements
offener Rohrstutzen ausgebildet ist und an der dem Zulaufrohr gegenüberliegenden
oberen Ecke in einem vorbestimmten Abstand vom oberen Rand des Kollektorelements
angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, daß der Fluidspiegel im
Kollektorelement sich im Abstand vom oberen Rand am oder geringfügig über dem Ablaufrohr
einstellt, also
keinesfalls das gesamte Volumen des Kollektorelements
mit Fluid ausgefüllt ist. Im Raum über dem Fluidspiegel wird somit eine Luftkammer
gebildet, welche die Ausdehnung des Fluids bei Erwärmung aufnimmt und gewissermaßen
als überlaufbehälter dient. Vorteilhaft ist es bei dieser Ausführungsform, wenn
am oberen Rand des Kollektorelements wenigstens eine Entlüftungsöffnung vorgesehen
ist Eine konstruktiv und fertigungstechnisch besonders günstige Gestaltung ist dadurch
gekennzeichnet, daß in den flächigen Wänden des Kollektorelements in den Innenraum
hinein aneinanderstoßende Sicken geformt sind, und daß die beiden Wände an diesen
Sicken miteinander verschweißt, verlötet oder verklebt sind. Bevorzugt sind die
Sicken fleckförmig begrenzt, so daß die Fluidströmung vom unteren Teil in den oberen
Teil des Behälters und der freie Austausch des Fluids in Querrichtung nicht behindert
werden. Diese Sicken und die durch die Sicken gebildeten Verbindungsstellen der
beiden Wände verhindern, daß sich das plattenförmige Kollektorelement unter dem
Druck des Fluids ausbeult. Gleichzeitig wird dabei eine erhöhte Steifigkeit des
Kollektorelements erzielt.
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Das Kollektorelement besteht aus Metallblech, und zwar vorzugsweise
aus Kupfer oder Aluminium mit einer Dicke von etwa 0,8 mm.
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Zur Erzielung einer guten Wärmeübertragung aus dem aufgeheizten Kollektorkasten
zum Fluid innerhalb des Kollektorelements ist bevorzugt vorgesehen, daß wenigstens
die der Sonneneinstrahlung zugewandte Oberfläche des Kollektorelements geschwärzt
ist, und zwar vorzugsweise mattschwarz durch elektrolytische Oxidation.
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Ferner ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß das wannenförmige Gehäuse
mit einer Schicht aus wärmeisolierendem Material, vorzugsweise geschäumtem Kunststoff,
ausgefüttert ist.
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Das Gehäuse selbst ist bevorzugt aus faserverstärktem, beispielsweise
glasfaserverstärktem Kunststoff geformt.
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Zur Erzielung optimaler Werte für den Strömungswiderstand und den
Wirkungsgrad ist vorgesehen, daß die lichte Weite des Kollektorelements 10 bis 20
mm, vorzugsweise 15 bis 18 mm beträgt.
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Wegen des geringen Strömungswiderstandes des erfindungsgemäßen Kollektorelements
im Vergleich zu herkömmlichen Sonnenkollektoren mit Rohrschlangen ist es möglich,
eine Sonnenkollektoranordnung aus mehreren erfindungsgemäßen Sonnenkollektoren aufzubauen,
welche über die Zulaufrohre bzw. Ablaufrohre in Reihe miteinander verbunden sind.
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Auch bei einer derartigen Anordnung ist es möglich, mit einer leistungsschwachen
Pumpe geringen Energieverbrauchs oder bei Versorgung mit Leitungswasser auch ganz
ohne die Pumpe zu arbeiten, da der erforderliche Druck wegen des geringen Strömungswiderstandes
klein ist.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf
die Zeichnung näher erläutert; es zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
Sonnenkollektoranordnung mit vier in Reihe geschalteten Sonnenkollektoren; Fig.
2 eine Seitenansicht der Sonnenkollektoranordnung gemäß Fig. 1; Fig. 3 eine Draufsicht
einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors, wobei die sonnenlichtdurchlässige
Wand des Kollektorgehäuses abgenommen und Teile des Kollektorelements zur Darstellung
des Innenraums ausgebrochan sind;
Fig. 4 einen seitlichen Vertikalschnitt
des Sonnenkollektors gemäß der Schnittlinie A-A der Fig. 3 in vertikal verkürzter
Darstellung; Fig. 5 einen Teilquerschnitt des erfindungsgemäßen Kollektorelements,
und Fig. 6 einen schematischen vertikalen Teilquerschnitt einer Abwandlung des Kollektorelements.
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In den Fig. 1 und 2 ist eine Sonnenkollektoranordnung mit vier nebeneinander
angeordneten und in Reihe miteinander verbundenen Sonnenkollektoren 1 dargestellt.
Die länglich rechteckigen Sonnenkollektoren 1 sind jeweils mit ihrer Langseite aufrecht
im Winkel von etwa 400 zur Horizontalen ausgerichtet, so daß ihre Lichteintrittsfläche
etwa senkrecht zur Einstrahlungsrichtung S des Sonnenlichts steht.
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Die Sonnenkollektoren sind auf einem gemeinsamen Rahmen 4 gehaltert,
der über eine Drehachse 3 in einem Sockel 2 drehbar gelagert ist. In dem Sockel
2 können ein nicht gezeigter Antrieb und eine Steuerung untergebracht sein, welche
eine ständige und automatische Nachführung der Sonnenkollektoranordnung zum-Sonnenstand
herbeiführen.
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Die Sonnenkollektoranordnung wird über ein Zulaufrohr 30 von einer
Pumpe 5 mit einem Fluid, beispielsweise Wasser, versorgt, welches nacheinander die
einzelnen Sonnenkollektoren 1 durchströmt, dabei zunehmend erwärmt wird und schließlich
über ein Ablaufrohr 40 abgegeben wird. Die einzelnen Sonnenkollektoren sind dabei
jeweils mit ihrem Ablaufrohrmit dem Zulaufrohr des in Strömungsrichtung benachbarten
Sonnenkollektors verbunden.
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Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, besteht der Sonnenkollektor
aus einem wannenförmigen Gehäuse 10, einer das Gehäuse 10 einseitig abdichtend verschließenden
Glasscheibe 13, einem im Inneren des Gehäuses angeordneten Kollektorelement 20,
sowie einem Zulaufrohr 30 und einem Ablaufrohr 40.
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Das aus Metallblech oder einem glasfaserverstärkten Kunststoff geformte
Gehäuse 10 weist die Gestalt einer offenen 4Z flachen Wanne auf, an deren Rand ein
Falz'geformt ist, in den die Glasscheibe 13 mittels eines Dichtmaterials abdichtend
eingesetzt ist. Die Innenwände des Gehäuses sind.
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allseitig mit einer Isolierschicht 11 ausgefüttert, die beispielsweise
aus einem geschäumten Kunststoff wie geschäumtem Polystyrol besteht.
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Das Kollektorelement 20 ist in Gestalt eines länglich rechteckigen
plattenförmigen Hohlkörpers aus Metallblech,beispielsweise Kupfer oder Aluminium
geformt. Es weist eine obere flächige Wand 21 und eine untere Wand 22 auf, die entlang
ihrer Ränder abdichtend miteinander verbunden sind.
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Lediglich im Bereich des oberen Stirnwand 23 sind eine oder mehrere
Entlüftungsöffnungen angebracht. Wie in der Fig. 3 in Draufsicht angedeutet und
im einzelnen in der Fig. 5 im Querschnict gezeigt ist, sind auf der Fläche der Wände
21 und 22 mehrere kreisförmig begrenzte Sicken 25 geformt, die derart zueinander
ausgerichtet in den Innenraum des Kollektorelements 20 hineinragen, daß sich die
Sicken der oberen Wand 21 und der unteren Wand 22 berühren.
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An den Berührungsstellen sind die Wände 21, 22 aneinander befestigt,
beispielsweise durch Schweißung, Verlötung oder Verklebung. In der Fig. 5 ist beispielsweise
eine Punktverschweißung 26 der Sicken 25 dargestellt. Diese Sicken 25 und die an
ihnen vorgesehenen Verbindungsstellen der beiden Wände 21, 22 dienen einerseits
dazu, den Gesamtaufbau des Kollektorelements 20 ausreichend zu versteifen, so daß
kein Stützrahmen oder andere Stützelemente erforderlich sind; vor allem aber dienen
sie andererseits dazu, die lichte Weite D des Kollektorelements 20, d.h. den Abstand
zwischen den Wänden 21 und 22 festzulegen, so daß auch unter dem Einfluß des Fluiddrucks
keine Ausbeulung des Kollektorelements 20 auftritt und auch ein Zusammenfallen
der
Wände des Kollektorelements vermieden wird. Bei einer praktischen Ausführungsform
betrugen die Abmessungen des Kollektorelements 20, das aus Kupferblech mit einer
Dicke von 0,8 mm hergestellt war, 0,75 m x 1,75 m bei einer lichten Weite D von
15 mm. Bei dieser Ausführungsform liegt das Kollektorelement 20, wie in der Fig.
4 gezeigt, unmittelbar auf der Isolierschicht 11 des wannenartigen Gehäuses 10 auf.
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Bei einer nicht in der Zeichnung dargestellten Abwandlung sind Abstandshalter
zwischen der Isolierschicht 11 des Gehäuses 10 und dem Kollektorelement 20 angeordnet,
so daß durch den Luftraum zwischen dem Kollektorelement und der Isolierschicht 11
für eine zusätzliche Wärmeisolation gesorgt wird.
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Wie am besten in der Fig. 3 zu sehen ist, ist ein Rohransatz 31 des
Zulaufrohrs 30 durch das Gehäuse 10 und die Isolierschicht 11 hindurch in die obere
linke Ecke des Kollektorelements 20 abdichtend eingesetzt. Im Innenraum des Kollektorelements
verläuft ausgehend von dem Rohransatz 31 ein Vertikalschenkel 32 des Zulaufrohrs
30 am linken Längsrand nach unten. An diesen Vertikalschenkel 32 schließt sich ein
Horizontalschenkel 33 an, der entlang des unteren Randes des Kollektorelements 20
verläuft und an seinem freien Ende 34, beispielsweise mit einem Rohrstopfen abgedichtet
ist. Auf der Oberseite des Horizontalschenkels 33 sind im Abstand verteilt mehrere
Zulauföffnungen 35 vorgesehen, durch welche das Fluid in den Innenraum des Kollektorelements
eingeführt wird.
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Wie ferner aus der Fig. 3 ersichtlich ist, verläuft auch das Ablaufrohr
40 als kurzer Rohrstutzen durch das Gehäuse 10 und die Isolierschicht 11 hindurch
und ist abdichtend im Bereich der rechten oberen Ecke in den Innenraum des Kollektorelements
20 hineingeführt, wo es offen endet. Das Ablaufrohr 40 ist in einem vorbestimmten
Abstand B von der oberen Stirnwand 23 angeordnet, so daß sich im Betrieb bei Zuführung
des
Fluids 42 durch die Zulauföffnungen 35 ein Fluidspiegel 41 einstellt, der in Höhe
des Ablaufrohrs 40 oder geringfüyig darüber liegt. Oberhalb des Fluidspiegels 41
ist entsprechend dem Abstand B eine Luftkammer gebildet, die über Entlüftungsöffnungen
24 mit dem Innenraum des Gehäuses 10 des Sonnenkollektors in Verbindung steht. Durch
diese Luftkammer und die Entlüftungsöffnungen wird die Ausdehnung des Fluids 42
bei Erwärmung im Kollektorelement 20 aufgefangen, so daß sich im Kollektorelement
kein unrwünschter Überdruck einstellen kann.
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Mit einem praktischen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors
wurden praktische Versuche unternommen, wobei eine Sonnenkollektoranordnung mit
vier Sonnenkollektoren gemäß Fig, 1 verwendet wurde. Das als Fluid verwendete Wasser
wurde mittels einer kleinen Pumpe aus einem im Freien gelegenen, offenen Behälter
entnommen. Die Außenabmessungen jedes Sonnenkollektors 1 betrugen 0,95 x 1,95 m,
bei einer Tiefe von etwa 15 cm. Jedes Kollektorelement 20 hatte eine Fläche von
0,75 x 1,75 m und eine lichte Weite des Innenraums von 15 mm. Die vier Sonnenkollektoren
waren gemäß Fig. 1 in Reihe geschaltet. Wetterbedingungen bei Versuchsdurchführung:
sonnig, durchziehende Bewölkung, Wind ca. 15 km/h aus westlichen Richtungen, Lufttemperatur
ca. 6 0C.
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Die Pumpe führte dem in der Reihe erstgelegenen Sonnenkollektor Wasser
mit einem Druck von ca. 0,6 bar zu. Es wurden die folgenden Ergebnisse ermittelt:
Einlauftemperatur des Wassers: 8 0C Auslauftemperatur des Wassers: 680C Durchsatz
des Wassers: 14,5 1/min.
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Die entsprechenden Werte eines gleichzeitig betriebenen Sonnenkollektors
herkömmlicher Bauart und vergleichbarer Abmessungen lagen erheblich unter den mit
der erfindungsgemäßen Sonnenkollektoranordnung erzielten Ergebnissen.
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Eine abgewandelte Ausführungsform eines Kollektorelements ist in der
Fig. 6 schematisch im vertikalen Teilschnitt etwa entlang der Linie A-A der Fig.
3 dargestellt.
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Dieses Kollektorelement 20a trägt auf seiner der Sonneneinstrahlung
zugewandten Wand 21a eine Vielzahl von im vertikalen Abstand verteilten, sich parallel
und horizontal quer über die Wand 21a erstreckenden Rippen 27, die eine Höhe von
etwa 15 mm aufweisen. Die untere Wand 22a des Kollektorelements 20 ist ohne Rippen
ausgebildet. Diese Rippen können durch einfaches Falzen der die Wand 21 bildenden
Blechplatte geformt werden, wobei die Wände der Rippen bei der Falzung aneinandergelegt
werden. In der Zeichnung ist lediglich der Deutlichkeit halber ein Zwischenraum
zwischen diesen Wänden der Rippen 27 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform'ergibt
sich eine größere Oberfläche des Kollektorelements, so daß die Wärmeaufnahme begünstigt
wird.