DE3815751A1 - Sonnenkollektor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor, mit einem
weitgehend als schwarzer Körper ausgebildeten Absorber,
der in einem langgestreckten Absorbergehäuse
aufgenommen ist, das mit in Längsrichtung strömender
Kollektorflüssigkeit gefüllt ist und das wenigstens
sonnenseitig verlustarm strahlendurchlässig ausgebildet
ist sowie mit wenigstens sonnenseitig vorgesehenen,
gegen Wärmeleitungs- sowie Strahlungsverluste
isolierendem Abdeckgehäuse.
Bei Sonnenkollektoren der eingangs genannten Art treten
Verluste verschiedener Ursache auf, die ihren
Wirkungsgrad so beeinträchtigen, daß ihr Einsatz in
Gegenden mit kühlem Wetter, also kühlen bzw. niedrigen
Lufttemperaturen und häufig bedecktem Himmel, in Frage
gestellt ist, weil es kaum noch oder über längere
Zeiträume gar nicht mehr gelingt, so viel Wärme zu
sammeln, daß etwa warmes Brauchwasser aufbereitet oder
der Betrieb einer Wärmepumpe wirtschaftlich wäre.
Es gibt zwar viele Vorschläge, die genannten Verluste
zu verringern und so den Wirkungsgrad zu erhöhen, dafür
müssen aber teuere Maßnahmen und Werkstoffe eingesetzt
werden, und es muß häufig auch in Kauf genommen werden,
daß die Sonnenkollektoren extrem schwer werden. Ein
hohes Gewicht von Sonnenkollektoren verhindert oft
deren Einsatz, wenn bspw. die Anordnung auf Dächern
vorgesehen ist, deren Tragfähigkeit aber für das hohe
Gewicht der Sonnenkollektoren geeignet ist. Teuere
Werkstoffe und andere teueren Maßnahmen führen zu hohen
Anschaffungspreisen, bzw. Investitionskosten, so daß
insbesondere in den Gegenden, in denen die
Energieausbeute sowieso gering ist, eine
Kostenamortisation in Frage gestellt wird.
Ein großer Teil der erwähnten Verluste tritt bei den
bekannten Sonnenkollektoren dadurch ein, daß mit der
angestrebten und erzielten Temperaturerhöhung der
Kollektorflüssigkeit oder des Absorbers zwischen diesen
und der Umgebung eine Temperaturdifferenz geschaffen
wird. Es fließt durch unmittelbare Wärmeleitung bzw.
Konvektion Wärme vom Ort höherer Temperatur in Richtung
der Orte niedrigerer Temperatur ab. Diese Wärmeleitung
bzw. Konvektion wirkt wie ein Leck, durch welches in
Wärme umgewandelte Sonnenenergie ständig abfließt.
Durch Wärmeisolierungsmaßnahmen seitlich und auf der
Rückseite des Sonnenkollektors können diese Verluste
zwar eingedämmt werden, jedoch wird dadurch das
Bauvolumen und auch das Gewicht des Sonnenkollektors
vergrößert. Sonnenseitig wird die Wärmeisolierung
jedoch schwieriger, weil von dem ungehinderten,
möglichst verlustarmen Eintritt des Sonnenlichtes in
das Absorbergehäuse die Energieausbeute abhängt. Daher
werden Abdeckgehäuse verwendet, die nach dem Prizip der
Doppelglasfenster konstruiert sind. Am wirksamsten sind
solche Abdeckgehäuse dann, wenn zwischen ihren beiden
durchsichtigen Platten ein Vakuum herrscht; solche
Abdeckgehäuse sind aber naturgemäß sehr teuer und haben
ein hohes Gewicht.
Ein weiterer Verlustfaktor ist die Wärmeabgabe durch
Strahlung. Jeder warme Körper verliert auch ohne
Wärmeleitung Wärme durch Strahlung, d.h. Emission, die
im Infrarot-Bereich liegt. Auch Gase und Flüssigkeiten
strahlen Wärme ab. Solche Abstrahlungswärme ist der
Grund dafür, daß sich auch Isolierungen der vorstehend
erwähnten Art bei Sonnenkollektoren erwärmen, so daß
bereits in Wärme umgewandelte Sonnenenergie verloren
geht.
Da das Abdeckgehäuse strahlendurchlässig sein muß,
damit der Sonnenkollektor arbeiten kann, treten durch
das Abdeckgehause die größten Abstrahlungsverluste ein.
Es sind zwar bereits Lösungen bekannt, am Abdeckgehäuse
selektiv strahlendurchlässige Gläser oder Schichten zu
verwenden, um diese Abstrahlungsverluste zu vermindern,
jedoch sind derartige Techniken sehr teuer. Nicht
selten tritt aber durch derartige selektive
Strahlendurchlässigkeit im Abdeckgehäuse aber auch ein
gewisser Verlust an Strahlendurchlässigkeit in der
gewünschten Richtung ein, so daß weniger Sonnenenergie
am Absorber bzw. in der Kollektorflüssigkeit ankommt
als ohne diese selektiv durchlässigen Schichten.
Die dritte Verlustursache entsteht am Absorber selbst.
Der Begriff des schwarzen Körpers oder der schwarzen
Oberfläche ist eine physikalische Ideal-Vorstellung,
die es in der Praxis nicht gibt. Der schwarze Körper
bzw. die schwarze Oberfläche soll nämlich jegliche
auftreffende Strahlung absorbieren, ohne Reflexion.
Praktisch herstellbare Absorber reflektieren aber
unvermeidbar, mehr oder weniger große Anteile
auftreffenden Sonnenlichtes. Derart reflektiertes
Sonnenlicht kann aber nicht in Wärme umgewandelt
werden.
Ein Sonnenkollektor der eingangs genannten Art ist in
der DE-OS 28 26 937 offenbart. Dieser bekannte
Sonnenkollektor weist ein Abdeckgehäuse in
Doppelglastechnik und, im Abstand darunter angeordnet,
ein Absorbergehäuse auf. Als Kollektorflüssigkeit wird
im wesentlichen Wasser verwendet, und der den
Bedingungen eines physikalischen, schwarzen Körpers
angenäherte Absorber soll von der Kollektorflüssigkeit
gebildet werden. Zu diesem Zweck ist diese mit
organischen oder anorganischen Farbpigmenten in
löslicher Form unter feinster Verteilung versetzt.
Für eine Verminderung der genannten drei Arten von
Verlusten ist dieser bekannte Flach-Kollektor weder
gedacht noch geeignet. Da beide Gehäuse nämlich sowohl
das Absorbergehäuse wie das Abdeckgehäuse gesteuert von
Kollektorflüssigkeit durchströmbar sein sollen, kann
das Abdeckgehäuse infolge dieser Benutzung nicht gegen
Verluste durch Wärmeströmung und -Abstrahlung dienen.
Die üblicherweise auftretenden Verluste durch
Wärmeabstrahlung und Wärmeleitung auf der Rückseite der
Sonnenseite sind bei diesem bekannten Flachkollektor
gewissermaßen erwünscht, weil er als Dachelement zur
Klimatisierung von Hallen, Gewächshäusern, Sporthallen
und dergleichen dienen soll. Da diese Absorber als
Dach- oder Deckenelement für Gewächshäuser,
Sporthallen usw., aber zugleich auch Tageslicht
durchlassen soll, versteht es sich von selbst, daß die
Kollektorflüssigkeit mit den aufgenommenen, fein
verteilten Pigmenten von der Wirkung als physikalisch
schwarzer Körper sehr weit entfernt sein muß, weil sie
sonst kein Tageslicht durchlassen könnte. Der bekannte
Flachkollektor mag daher zur Klimatisierung von Hallen
und Häusern zur Abschattung gegenüber grellem
Sonnenlicht gute Dienste leisten, als Sonnenkollektor
hat er jedoch einen recht unbefriedigenden
Wirkungsgrad.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der
Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Sonnenkollektor
der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß durch
kostengünstige, raum- und gewichtssparende Minderung
der geschilderten Verluste ein so hoher Wirkungsgrad
erreicht wird, daß auch bei schlechterem Wetter
Temperaturen der Kollektorflüssigkeit erreicht werden,
die entweder eine direkte Wärmenutzung für Brauchwasser
oder dergleichen oder für den wirtschaftlichen Betrieb
einer Wärmepumpe geeignet sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich der
eingangs genannte Sonnenkollektor erfindungsgemäß
dadurch, daß der Absorber ein folien- oder
blechartiger, fester Körper ist, der parallel zur Länge
des Absorbergehäuses ziehharmonikaartig gefaltet ist,
wobei die Falten sonnenseitig einander zugewandte,
schwach konkav gekrümmte Flanken haben, daß der
Absorber sonnenseitig und rückseitig schwarz ist, daß
ein ungefalteter, flacher Absorber quer über die
rückseitigen Spitzen des gefalteten Absorbers verläuft
und wenigstens rückseitig schwarz ist, daß rückseitig
hinter dem gefalteten Absorber eine spiegelnde bzw.
strahlenreflektierende Fläche angeordnet ist, und daß
hinter der spiegelnden Fläche ein wärmeisolierender
Körper vorgesehen ist.
Die Maßnahmen der Erfindung zielen primär darauf ab,
die Absorbtion des Sonnenlichtes zu optimieren. Ein
folien- oder blechartiger, fester Körper als Absorber
kann so dünn ausgebildet werden, daß der übliche, als
Nachteil bewertete Temperaturunterschied zwischen
Absorberoberfläche und Absorberkern vernachlässigbar
wird, weil die Dicke vernachlässigbar ist. Dadurch, daß
der Absorber ziehharmonikaartig gefaltet ist, kann die
absorbierende Fläche über die gegebene Fläche des
Absorbergehäuses hinaus vervielfacht werden. Dadurch
aber, daß die Falten zusätzlich auf den sonnenseitigen,
einander zugekehrten Flanken konkav gekrümmt sind,
verwandeln sich die Ziehharmonikafalten zu einem
Wellensumpf oder zu Wellenfallen. Das eingestrahlte
Sonnenlicht wird einerseits von der schwarzen
Oberflache absorbiert wodurch eine entsprechende
Temperaturerhöhung des gefalteten Absorbers resultiert.
Die unvermeidliche Reflexion eines Anteiles des
auftreffenden Sonnenlichtes hat keine nennenswerten
Verluste zur Folge, weil die konkav gekrümmten Flächen
solche reflektierten Strahlen mehrfach zwischen sich
reflektieren, bis sich die Energie schließlich an der
tiefsten Spitze der einander treffenden, konkav
gekrümmten Flanken verliert. Die konkave Krümmung
garantiert, daß diese Art Reflexion des Lichtanteiles,
der nicht absorbiert wird, so gut wie ausschließlich in
die Tiefe des gefalteten Absorbers zwischen die
Ziehharmonikafalten hinein erfolgt. Da jeder derartigen
Reflexion aber prinzipiell eine Absorbtion beigeordnet
ist, wird die Energie derart reflektierter Lichtanteile
nach jeder Reflexion immer geringer. Dadurch, daß also
der Absorber ziehharmonikaartig gefaltet ist und
sonnenseitig an den aneinander zugekehrten
Faltenflanken konkav gekrümmt ist, kommt er mit seiner
schwarzen Oberfläche dem physikalischen schwarzen
Körper weit aus näher, als alle anderern bekannten
Absorber. Entsprechend hoch ist daher auch die
Erwärmung. Da der gefaltete Absorber allseitig von
Kollektorflüssigkeit umströmt ist - also auch an den
Rückseiten der Ziehharmonikafalten - und, da er extrem
dünn ist, wird die in Wärme umgewandelte Sonnenenergie
unmittelbar und sofort an die strömende
Kollektorflüssigkeit abgegeben.
Da die Kollektorflüssigkeit auch die Sonnenseite also
die einander zugekehrten konkav gekrümmten Flanken
umspült, erfolgen Reflexionen durch
Kollektorflüssigkeit hindurch und haben den weiteren
Effekt, daß auch die Kollektorflüssigkeit zu einem
gewissen Prozentsatz erwärmt wird.
Da auch ein schwarzer Körper emittiert, d.h. Wärme
durch Strahlung verliert, und zwar um so stärker, je
wärmer er ist, wird von den Oberflächen des
ziehharmonikaartig gefalteten Absorbers sowohl
sonnenseitig, wie rückseitig Wärme abgestrahlt. Bei
diesen Abstrahlungsvorgängen hält die konkave Krümmung
der einander zugekehrten sonnenseitigen Faltenflanken
als Wellensumpf oder Wellenfalle einen großen Teil
dieser Abstrahlung zurück. Rückseitig wird aber auch
Wärme abgestrahlt. Deshalb ist über die Spitzen der
Rückseite des gefalteten Absorbers zusätzlich ein
weiterer flacher, also nichtgefalteter Absorber
ausgebreitet, der wenigstens rückseitig schwarz ist.
Diese Maßnahme führt dazu, daß die von den Rückseiten
abgestrahlte Wärme an dem flachen Absorber entweder
absorbiert oder gegen die Rückseiten des gefalteten
Absorbers reflektiert und dort erneut absorbiert wird,
also nicht verloren gehen kann. Die schwarz
ausgebildete Rückseite des flachen Absorbers schafft
die Möglichkeit, diejenigen Wärmeanteile soweit wie
möglich zurückzugewinnen, die sich aus der Erwärmung
des Absorbergehäuses der Kollektorflüssigkeit usw.
ergeben könnten und die durch Strahlung verloren gehen
würden.
Besonders wirksam wird die schwarze Rückseite des
flachen Absorbers dann, wenn zwischen ihr und zwischen
einem wärmeisolierenden Körper hinter dem
Absorbergehäuse, welch letzterer gegen
Wärmeleitungsverluste isoliert, eine spiegelnde Fläche
vorgesehen ist. Dadurch wird alles das an Wärmeenergie,
was durch Strahlung in Richtung wärmeisolierenden
Körper verloren gehen könnte, optimal gegen den flachen
Absorber reflektiert und in Wärme umgewandelt, die der
Kollektorflüssigkeit mitgeteilt wird.
Somit ergibt sich, daß die Wirkungsgradverluste
bekannter Sonnenkollektoren auf verblüffend einfache
und wirksame Weise wesentlich verringert werden. Die
geringe Ausbeute infolge der Reflexion des
Sonnenlichtes wird durch die geschaffenen Wellenfallen
bzw. Wellensümpfe vermieden. Die Verluste durch
Abstrahlung werden durch Reflexion und die zugleich
rückseitig schwarzen Oberflächen des Absorbers sehr
gering gehalten. Das Ergebnis ist, daß der Wirkungsgrad
der Umwandlung von Sonnenlicht in Wärmeenergie
außerordentlich groß ist, und zwar ohne daß das
Abdeckgehäuse selektivstrahlendurchlässig ausgebildet
sein muß, also teuer ist. Es können sogar preiswerte
Materialien wie z.B. Plexiglas für Abdeckgehäuse und
das Absorbergehäuse verwendet werden. Dadurch wird der
Preis eines Sonnenkollektors wesentlich reduziert, und
es sinkt auch das Gewicht, worauf es bei vielen
Anwendungsfällen sehr wesentlich ankommt.
Einen zick-zack-förmigen Absorber offenbart die
US-PS 46 49 902. Es ist jedoch nicht näher beschrieben,
ob es sich dabei um einen Wendel oder um einen
gefalteten, flachen Körper handeln soll, und es liegt
nur eine entfernte Anwendung vor, weil durch diesen
Absorber als Kollektormedium verdampfte Flüssigkeit,
also Dampf hindurchgeführt wird. Unabhängig davon, ob
als Wärmeträgermedium Dampf oder Flüssigkeit verwendet
wird, bietet eine zick-zack-förmig gefaltete
Oberfläche zwar den Vorteil einer Flächenvergrößerung,
sie vermag aber die nicht unerheblichen Verluste durch
Reflexion nicht zu vermeiden, so daß der Wirkungsgrad
trotz ziehharmonikaartig gefalteter Flächen
unbefriedigend bleibt. Da diese Druckschrift nichts
über Strahlungsverluste nach hinten aussagt und auch
keine Offenbarungen enthält, wie derartige
Wärmeleitungs- oder Strahlungsverluste vermieden werden
sollen, vermag die Verwendung eines zick-zack-förmigen
Absorbers, der eher als Heizwendel angesehen werden
kann, keine Lösungshilfe für die der Erfindung
zugrundeliegenden Aufgabe zu schaffen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die
konkav gekrümmten Oberflächen des gefalteten Absorbers
schwarz und glänzend als "nichtlambertsche" Flächen
ausgebildetet.
Mit dieser Maßnahme wird eine weitere, wesentliche
Steigerung des Wirkungsgrades erreicht. Diese Maßnahme
erlaubt eine weitgehende Vermeidung derjenigen
Verluste, die durch Abstrahlung als emittierte
Wärmestrahlung von der Oberfläche des Absorbers
entstehen würden. Die erfinderische Maßnahme, mit der
dieser Erfolg erreicht wird, erscheint auf den ersten
Blick unvernünftig und falsch, denn eine glänzende
Fläche reflektiert stärker als eine matte Fläche, und
zwar auch dann, wenn sie schwarz ist. Wäre der
gefaltete Absorber nicht so ausgestaltet, daß die
Flanken, die sonnenseitig einander zugekehrt sind
konkav gekrümmt sind, so könnte die Oberfläche auch
nicht schwarz-glänzend ausgebildet werden, denn dann
würden erhebliche Verluste durch Reflexion entstehen.
Dadurch, daß aber der Raum zwischen zwei einander
zugekehrten, konkav gekrümmten Flanken als Wellensumpf
oder -Falle wirkt, spielt es keine Rolle, wie häufig
das eingefangene Sonnenlicht zwischen den
einanderzugekehrten Flanken hin und her reflektiert
wird. Die Energie des Lichtes wird auf jeden Fall in
Wärme umgewandelt.
Um die Verluste zu vermeiden, die durch
Wärmeabstrahlung des erwärmten Absorbers entstehen, ist
es jedoch von erheblicher Bedeutung, daß die
sonnenseitigen Oberflächen der konkav gekrümmten
Flanken schwarz-glänzend ausgebildet sind. Der Grund
dafür basiert zunächst auf dem Kirchhoffschen
Strahlungsgesetz, nach dem das Verhältnis zwischen
Emissionsvermögen und Absorbtionsvermögen eines Körpers
für jede Wellenlänge und Temperatur gleich ist.
Bezüglich der Oberflächen eines Körpers wird aber für
die Abstrahlung bei einer matten Oberfläche das
Lambertsche Gesetz wirksam. Bei einer Lambertschen
Fläche ergibt sich eine Kugel, wenn die Lichtstärken
als entsprechend lange Pfeile von einem Emissionspunkt
aus in den verschiedenen Richtungen aufgetragen werden.
Die Spitzen der Pfeile liegen auf der Oberfläche einer
Kugel, die das Flächenelement, welches ausstrahlt,
tangiert. Anders verhält sich eine sogenannte
nichtlambertsche Fläche, d.h. also eine nicht matte,
sondern glänzende Fläche. Bei einer solchen
nichtlambertschen, also glänzenden Fläche, entsteht als
Charakteristikum der Rückstrahlung oder Emission keine
Kugel, sondern ein etwa ellipsoidähnlicher Körper. Die
größten Abstrahlungsstärken verlaufen rechtwinklig zur
abstrahlenden Oberfläche oder näherungsweise
rechtwinklig während die Abstrahlungsleistung in
kleinerem Winkelbereich erheblich reduziert ist.
Werden nun erfindungsgemäß die sonnenseitigen
Oberflächen, d.h. die konkav gekrümmten Flächen des
gefalteten Absorbers als nichtlambertsche Flächen
ausgebildet, so geben sie auch Strahlungswärme ab. Aber
die Hauptmenge oder Hauptenergie, die aus der eigenen
Wärmestrahlung entsteht, wird im wesentlichen im
rechten Winkel zur Oberfläche abgestrahlt. Das bedeutet
aber, daß diese Abstrahlung auf die gegenüberliegende
Flanke trifft, dort zum Teil absorbiert und zum Teil
reflektiert wird. Auch für diese Wärmestrahlen gilt
aber, daß die einander zugekehrten, konkav gekrümmten
Flanken des gefalteten Absorbers als Wellensumpf oder
-Falle wirken, d.h. es wird zwar Wärme abgestrahlt, sie
wird aber wieder absorbiert und in Wärme umgewandelt.
Natürlich treten auch erfindungsgemäß noch Verluste
durch Emissionen des Absorbers ein. Sie betragen jedoch
nur Bruchteile derjenigen Verluste, die bei bekannten
Sonnenkollektoren auftreten.
Kombiniert man den Sonnenkollektor gemäß Anspruch 1 mit
der weiteren erfinderischen Ausgestaltung, so ergibt
sich ein bisher unerreichbarer, fast utopischer
Wirkungsgrad. Verlustwärme durch Leitung wird durch das
Abdeckgehäuse in Grenzen gehalten. Die
Ziehharmonikafaltung des Absorbers vervielfacht die
Absorberoberfläche. Die konkav gekrümmte Ausgestaltung
der sonnenseitigen Flanken des gefalteten Absorbers
schafft einen Wellensumpf, mit der Folge, daß kaum noch
Verluste durch Reflexion des eingestrahlten Lichtes
auftreten. Die Verluste durch Wärmeabstrahlung in
Richtung Sonnenseite werden durch die Ausgestaltung der
konkav gekrümmten Oberflächen als nichtlambertsche
Flächen auf Bruchteile des bisher üblichen reduziert.
Der Effekt all dieser Maßnahmen hat zur Folge, daß sich
die Sonnenseite des erfindungsgemäß ausgebildeten
Sonnenkollektors erheblich weiter dem theoretischen
schwarzen Körper annähert, als alle bisher bekannten
Sonnenkollektoren. Dieser besondere Effekt wird darüber
hinaus noch wertvoller dadurch, daß keine teueren
Techniken oder hochwertigen Werkstoffe oder Volumen und
Gewicht vergrößernde Maßnahmen erforderlich sind.
Vielmehr erlaubt der hohe Absorbtionswirkungsgrad
Zugeständnisse bei der Materialwahl und
Ausgestaltungsart für das Absorbergehäuse bzw. das
Abdeckgehäuse. Solche Zugeständnisse können der
Volumenverkleinerung und der Gewichtsreduzierung
vorteilhaft dienen. Der Erhaltung der gewonnenen Wärme
dienen die Maßnahmen, die Abstrahlung und Verluste nach
hinten verhindern. Dazu gehört die schwarze Rückseite
des gefalteten Absorbers, die schwarze Rückseite des
flachen Absorbers, die spiegelnde Fläche und
wärmeisolierende Körper.
Gemäß Anspruch 3 sind die sonnenseitigen Faltenspitzen
des gefalteten Absorbers quer zu ihrer Länge schwach
wellenförmig profiliert.
Aufgrund dieser Profilierung entstehen in der
strömenden Kollektorflüssigkeit Wirbel, die den
Wärmeübergang vom Absorber an die Kollektorflüssigkeit
begünstigen.
Gemäß Anspruch 4 ist vorgesehen, daß dünne, bzw. feine,
schwarze Metallnetze, stumpfwinkliger als der Absorber
gefaltet beidseitig zwischen die Falten des Absorbers
mit zur Rückseite weisenden Faltenspitzen eingesetzt
sind, und daß ein ebenes, schwarzes Metallnetz
sonnenseitig über Spitzen der Falten des Absorbers
verläuft.
Wie schon erwähnt wurde, können auch sogenannte
nichtlambertsche Flächen alle Abstrahlungsverluste
verhindern. Werden daher die schwarzen Metallnetze
gemäß Anspruch 4 eingebaut, so wirken diese aufgrund
ihrer Feinheit insbesondere im oberen weiten, spitzen
Bereich des gefalteten Absorbers in gewissem Umfange
als Hilfsabsorber für die reflektierten Lichtstrahlen
und die reflektierten Wärmestrahlungen. Das flache,
feine Metallnetz, das sonnenseitig über die Spitzen der
Falten des Absorbers gespannt ist, wirkt gewissermaßen
als letzte Hilfsabsorberfläche für Reflexions- und
Strahlungsverluste. Die gefalteten, feinen Metallnetze
an den Rückseiten haben für die reflektierte
Wärmestrahlung in diesem Bereich den gleichen Effekt.
Da sich die feinen, schwarzen Metallnetze durch die
Absorbtion erwärmen, helfen sie infolge ihrer großen
Oberfläche mit, den Wärmeübergang zwischen Absorber und
Kollektorflüssigkeit zu verbessern.
Gemäß Anspruch 5 ist vorgesehen, daß die
Kollektorflüssigkeit mit suspendiertem, schwarzen
Farbstoff vermischt ist.
An sich könnte wegen des sehr hohen Wirkungsgrades des
erfindungsgemäß ausgebildeten Sonnenkollektors auf
diese, aus der eingangs zitierten DE-OS 28 26 937
bereits an sich bekannte Maßnahme verzichtet werden,
jedoch vermag diese Maßnahme dann, wenn die
Witterungsbedingungen außerordentlich schlecht sind,
auch dann noch zum wirtschaftlichen Betrieb eines
Sonnenkollektors zu verhelfen, wenn es mit den bereits
genannten Maßnahmen nicht mehr befriedigend gelingen
würde. Das Vermischen der Kollektorflüssigkeit mit
schwarzem Farbstoff hat den Vorteil, daß dadurch weder
ein hoher Preis entsteht, noch Gewicht oder Volumen des
Sonnenkollektors vergrößert würden.
Der erfindungsgemäß ausgebildete Sonnenkollektor läßt
sich in verschiedenen Bauvarianten verwirklichen und
dabei gegebenen Bedingungen ideal anpassen.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 6 sind
Abdeckgehäuse und wärmeisolierende Körper als
gemeinsames, im Querschnitt kreisförmiges Plexiglasrohr
ausgebildet und das Absorbergehäuse ist mittig im
Plexiglasrohr angeordnet. Solche rohrförmigen
Sonnenkollektoren sind überall da von Nutzen, wo keine
großen Flächen zur Verfügung stehen, sondern nur
schmale, langgestreckte Bereiche. Zwischen zwei
koaxialen Rohren kann auch bei Verwendung von Plexiglas
ein Vakuum erzeugt werden. Aber infolge des enorm hohen
Wirkungsgrades des erfindungsgemäß ausgebildeten
Sonnenkollektors kann auch ohne Vakuumtechnik mit Luft
als isolierendem Medium gearbeitet werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer solchen
Ausführung kennzeichnet Anspruch 7 dadurch, daß das
Absorbergehäuse als im Querschnitt kreisförmiges,
inneres Plexiglasrohr ausgebildet ist, daß das
Absorbergehäuse im äußeren Plexiglasrohr konzentrisch
angeordnet ist, daß der flache Absorber die
sonnenabgewandte Seite des inneren Plexiglasrohres
innen halbschalenartig bedeckt, daß seine, dem
gefalteten Absorber zugekehrte Seite spiegelnd
ausgebildet ist, und daß das äußere Plexiglasrohr auf
der sonnenabgewandten Querschnittshälfte innen,
halbschalenartig verspiegelt ist.
Bei dieser Ausgestaltung ist das innere Plexiglasrohr
zugleich Absorbergehäuse, der flache Absorber verläuft
halbschalenartig über die untere Hälfte und das äußere
Plexiglasrohr ist innen halbschalenartig verspiegelt.
Dabei kann die Sonnenseite des flachen Absorbers im
Absorbergehäuse sonnenseitig verspiegelt und die
Rückseite zwecks Steigerung der Absorbtionswirkung
schwarz ausgebildet sein.
Eine andere Ausgestaltung dieser Art ist gemaß Anspruch
8, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorbergehause als
flach quaderförmiger Plexiglas-Hohlkörper ausgebildet
ist und im äußeren Plexiglasrohr diametral angeordnet
ist, daß die untere Wand des Plexiglas-Hohlkörpers innen
verspiegelt ist, und daß der gefaltete Absorber mit den
oberen Faltenspitzen im Abstand von der oberen, mit den
unteren Faltenspitzen im Abstand von der unteren Wand
des Plexiglas-Hohlkörpers angeordnet ist. Bei dieser
Ausgestaltung ist das Absorbergehäuse ein flach
quaderförmiger Plexiglas-Hohlkörper, und es ist dafür
gesorgt, daß sowohl der gefaltete wie der flache
Absorber Abstand von der oberen bzw. unteren Wand des
Plexiglas-Hohlkörpers haben, der vorzugsweise mittels
wärmeisolierender Stutzen oder dergleichen
gewährleistet wird. Diese Maßnahme sichert eine
einwandfreie, allseitige Umspülung des Absorbers mit
Kollektorflüssigkeit und verhindert zugleich, daß Wärme
durch Leitung in das Plexiglasrohr übertragen wird.
Wie schon erwähnt, kann bei der Rohrtechnik - wegen der
günstigen Form des Rohres - unabhängig davon, ob in der
Mitte ein Rohr oder ein Flachkörper als Absorbergehäuse
angeordnet ist, die Vakuumtechnik angewandt werden, um
Wärmeverluste durch Wärmeleitung nach außen zu
vermeiden. Auf jeden Fall aber haben Sonnenkollektoren
nach den Ansprüchen 6 bis 9 ein geringes Gewicht,
geringe Abmessungen, aufgrund der benötigten
Materialien einen geringen Preis aber einen hohen
Wirkungsgrad.
Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäß
ausgebildeten Sonnenkollektors offenbart Anspruch 10.
Diese Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß
eine Mehrzahl flach, quaderförmiger Absorbergehäuse
parallel nebeneinander verlaufend und an den Enden
miteinander kommunizierend in einer Plexiglas-
Doppelstegplatte einstückig zusammengefaßt sind, daß
die gefalteten und flachen Absorber jeweils mit Abstand
von der unteren sowie oberen Wand der Doppelstegplatte
in deren Hohlräume eingesetzt sind, daß die spiegelnde
Fläche an der Außenseite der unteren Wand der
Doppelstegplatte angeordnet ist, daß der
wärmeisolierende Körper als Kunststoffisolierplatte
z.B. Styroporplatte ausgebildet und an der Rückseite
der spiegelnden Fläche anliegend angeordnet ist, daß
die Doppelstegplatte und die Kunststoffisolierplatte
von einem rechteckförmigen, aus nach innen offenen
U-Profilen bestehenden Rahmen umschlossen und
zusammengehalten sind, und daß der Rahmen an seinen
beiden Stirnseiten, einander diagonal gegenüberliegend,
je einen Anschlußstutzen für die strömende
Kollektorflüssigkeit aufweist.
Diese Ausgestaltung dürfte als wirtschaftlichste,
preisgünstigste Ausführung angesehen werden können,
denn die sogenannten Plexiglas-Doppelstegplatten sind
als stranggepreßte Artikel als Meterware im Handel
erhältlich. Sie haben Formate, mit denen sich
geeignete, Flachkollektoren im Sinne von Anspruch 10
verwirklichen lassen. Man braucht lediglich das
Abdeckgehäuse zu verwenden und als Absorbergehäuse im
mittleren Bereich die Stege so weit zu entfernen, daß
die einzelnen Kanäle oder parallelen Hohlräume
miteinander kommunizieren, um den Durchlauf der
Kollektorflüssigkeit zu gestatten. Entsprechende
Anschlußvorrichtungen an den beiden Stirnenden müssen
natürlich vorgesehen werden. Man braucht alsdann
lediglich die Absorber in die Hohlräume einzuschieben.
Die spiegelnde Fläche wird auf der Außenrückseite des
Absorbergehäuses aufgebracht und als wärmeisolierender
Körper eine Kunststoffisolierplatte, z.B. eine
Styroporplatte, dagegengesetzt. Der gesamte Aufbau wird
in einem Rahmen aus U-Profilen unter Zwischenschaltung
von Distanzelementen zwischen Abdeckgehäuse und
Absorbergehäuse und durch Anwendung von
Dichtungsmaßnahmen zu einem Element zusammengefaßt.
Siehe auch Anspruch 11!
Aufgrund des sehr hohen, bisher nie erreichten
Wirkungsgrades kann man nämlich bei einem Absorber gem.
Anspruch 10 auch ohne Abdeckgehäuse arbeiten und noch
befriedigende Ergebnisse erzielen, wenn es auf extrem
flache Bauweise ankommt. Eine solche extrem flache
Aufbauweise kann z.B. dann gewünscht werden, wenn
Dachluken oder Dachfenster durch Sonnenkollektoren
dieser Art ersetzt werden sollen. Wo keine Raumnot
besteht, wird die Bauweise gem. Anspruch 11 mit
Abdeckgehäuse verwendet, die naturgemäß den besseren
Wirkungsgrad aufweist.
Witterungsbeständigkeit und Schutz gegen
Wärmeisolierung bringt die Weiterbildung gemäß
Anspruch 12 dadurch, daß der Kunststoffisolierkörper
bzw. Kunststoffisolierplatte auf ihrer Rückseite mit
wärmeisolierender und Witterungsschutz bietender
Kunststoffolie bedeckt, bspw. beklebt ist.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 13 nutzt die in der
Doppelstegplatte bereits vorhandene Hohlraumbildung
dazu aus, diejenigen Ränder des Absorbergehäuses, die
im U-Rahmen Kontakt mit demselben haben, als
Isolierkammern zu nutzen, so daß Wärmeleitungsverluste
in den Rahmen hinein unterbunden werden. Bei
aufwendigen Ausgestaltungen können diese Kammern auch
mit einem Vakuum versehen werden.
Besonders preiswert wird der erfindungsgemäß
ausgebildete Sonnenkollektor - gleich welcher
spezifischen Ausgestaltung - dadurch, daß alle
spiegelnden Flächen als Aluminiumfolien ausgebildet
sind - Anspruch 14 -. Aluminiumfolien sind einseitig
hochglänzend, auf der Rückseite matt und sind im Handel
für geringen Preis erhältlich.
Für die Absorber - den gefalteten und den flachen
Absorber - können gut Wärme leitende und leicht
schwärzbare Werkstoffe verwendet werden. Gemäß
Anspruch 15 ist vorgesehen, daß der gefaltete und der
flache Absorber aus höchstens 1 mm vorzugsweise 0,1
bis 0,3 mm dickem Metallblech mit geschwärzter, ggfs.
schwarz glänzender Oberfläche bestehen, wobei
wenigstens der gefaltete Absorber in seiner Form
elastisch federnd ausgebildet ist.
Für den gefalteten Absorber ist es wesentlich, daß er
in seiner Form elastisch federnd ist, denn er kann sich
erheblich erwärmen und aufgrund der großen Fläche, die
in den Falten untergebracht wird, auch entsprechend
ausdehnen. Damit er bei derartigen Wärmedehnungen Form
und damit auch Wirkung behält, ist die elastisch
federnde Ausbildung wichtig.
Zweckmäßig ist gemaß Anspruch 16 die Ausgestaltung der
Absorber aus Kupfer. Kupfer läßt sich besonders leicht
schwärzen, auch mit einer schwarzglänzenden Oberfläche
versehen und hat den Vorteil, ein guter Wärmeleiter zu
sein.
Alternativ zur Verwendung mit Kupfer kann gemäß
Anspruch 17 auch Aluminium für die Absorber benutzt
werden. Aluminium hat den Vorteil, daß es erheblich
leichter als Kupfer ist. Kupfer und Aluminium zeichnen
sich durch Korrosionsbeständigkeit aus, wenn
entsprechende Maßnahmen ergriffen werden, so daß auch
Lebensdauer und Wartungsfreiheit der Sonnenkollektoren
gesichert sind.
Ausführungs- und Erläuterungsbeispiele des
erfindungsgemäß ausgebildeten Sonnenkollektors sind in
den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schemaschnittansicht des prinzipiellen
Aufbaues,
Fig. 2 eine Schnittansicht einer möglichen
Ausgestaltung des Sonnenkollektors,
Fig. 3 eine Schemaschnittansicht einer weiteren
Ausgestaltung.
Fig. 4 + 5 grafische Darstellungen zum Rückstrahlungs
verhalten der Absorberflanken bei
Ausgestaltung als lambertsche Fläche gemäß
Fig. 4 und nichtlambertscher Fläche gemäß
Fig. 5,
Fig. 6 ein Erläuterungsschema für die Ausgestaltung
der Ziehharmonikaflanken des Absorbers als
Wellensumpf oder -falle,
Fig. 7 eine Schnittansicht einer besonders
vorteilhaften Ausgestaltung eines
Flachkollektors,
Fig. 8 eine Schemadraufsicht auf das Absorbergehäuse
des Flachkollektors gemäß Fig. 7 und
Fig. 9 eine perspektifische Schema-Teilansicht des
ziehharmonikaartig ausgestalteten Absorbers.
Die Fig. 1 zeigt einen Sonnenkollektor 1, der die
Grundelemente der erfinderischen Ausgestaltung
aufweist. Sonnenseitig ist ein Abdeckgehäuse 2
vorgesehen, das in Doppelglastechnik ausgebildet ist.
Dahinter liegt ein Absorbergehäuse 3, welches von
Kollektorflüssigkeit 4 in Längsrichtung durchströmt
ist. Im Absorbergehäuse 3 ist ein ziehharmonikaartig
gefalteter Absorber 5 aufgenommen, dessen Falten in
Längsrichtung des Absorbergehäuses 3 und damit der
Richtung der Strömung der Kollektorflüssigkeit 4
verlaufen. Die Besonderheit dieses gefalteten
Absorbers 5 besteht darin, daß die einander
zugewandten, sonnenseitigen Flanken konkave Krümmungen
6 haben, so daß sie gem. Fig. 6 einfallende
Lichtstrahlen nach Art eines Wellensumpfes oder -falle
in sich festhalten können, wobei Verluste durch
Reflexion einfallenden Lichtes auf ein Minimum
reduziert werden können.
Wie die Fig. 6 mit einem wahlweise angedeuteten
Lichtstrahl 7 andeutet, wird dieser von einer konkav
gekrümmten Fläche 6 reflektiert, der gegenüberliegenden
konkav gekrümmten Fläche 6 entgegengerichtet, von
dieser erneut reflektiert usw. Da mit jeder Reflexion
aber auch eine Absorbtion verbunden ist und Energie in
den Absorber 5 übergeht, wirkt der ziehharmonikaartig
gefaltete Absorber 5 mit den konkaven Flächen 6 als
weitgehend reflektionsfreier Sonnenabsorber mit sehr
hohem Wirkungsgrad.
Da sich der Absorber 5 durch die Sonnenlichtabsorbtion
erwärmt, strahlt er auch Wärme ab, insbesondere auch an
den Rückseiten, die jedoch ebenfalls von
Kollektorflüssigkeit umspült sind. Damit die Energie,
die rückseitig als Wärme abgestrahlt wird nicht
verlorengeht, ist gegen die Spitzen des gefalteten
Absorbers 5 ein flacher Absorber 8 in ungefalteter
Ausführung gegengesetzt, welcher wenigstens auf seiner
sonnenabgewandten oder Rückseite als schwarze Fläche
ausgebildet ist. Nach dem bereits geschilderten Prinzip
werden Wärmestrahlungen auch vom flachen Absorber 8
reflektiert und ein Hauptteil resorbiert. Der
reflektierte Teil trifft die konvexen Seiten des
gefalteten Absorbers 5, wird absorbiert und zu einem
Teil reflektiert. Ein Abstrahlungsverlust aus dem vom
flachen Absorber 8 und den Flanken des gefalteten
Absorbers 5 begrenzten Raum ist nicht möglich.
Da auch Kollektorflüssigkeit erwärmt, Wärme abstrahlt
und da sich mit der Kollektorflüssigkeit 4 auch das
Absorbergehäuse 3 erwärmt, vermag letzteres ebenfalls
Wärme unerwünscht abzustrahlen. Um solche Verluste zu
verhindern, kann auf der Innenseite einer unteren
Wand 9 - siehe strichpunktierte Linie in Fig. 1 - oder
auf der Außenseite einer solchen unteren Wand 9 eine
spiegelnde Fläche 10 vorgesehen sein, welche
Strahlungsverluste dadurch weitgehend vermeidet, daß
sie Wärmestrahlungen reflektiert. Wird die spiegelnde
Fläche 10 auf der Innenseite der unteren Wand 9
angeordnet, so muß die Wärmeabstrahlung des
miterwärmten Absorbergehäuses in Kauf genommen werden.
Wird dagegen die spiegelnde Fläche 10 außen angeordnet,
so wird auch die vom Absorbergehäuse 3 ausgehende, nach
hinten gerichtete Wärmeabstrahlung weitgehend
vermieden.
Hinter dem Absorbergehäuse 3, und zwar entweder hinter
der unteren Wand 9 oder der spiegelnden Fläche 10,
befindet sich grundsätzlich ein isolierender Körper 11,
der Wärmeverluste durch Wärmeleitung vermeiden soll.
Ein wesentlicher Gesichtspunkt für die Erzielung eines
hohen Wirkungsgrades des Sonnenkollektors ist, wie
bereits erwähnt, die Maßnahme, den gefalteten
Absorber 5 mit den konkav gekrümmten, einander
zugewandten Flächen zu versehen. Diese Maßnahme
verhindert Energieverluste durch Reflexion des
eintretenden Lichtes, weil die einander zugekehrten
konkav gekrümmten Flächen 6 als Wellensumpf oder -falle
wirken.
Da sich der Absorber 5 aber selbst zum Teil
beträchtlich erwärmt, strahlt er selbst Wärme ab. Nach
dem Kirchhoffschen Strahlungsgesetz ist das Verhältnis
zwischen dieser Abstrahlung oder Emission und der
Absorbtion bei einem gegebenen Körper für jede
Wellenlänge und Temperatur gleich. Das bedeutet, daß
man also durch den Korper selbst keinen Einfluß auf die
Große der Emission oder Verluste erzeugenden
Wärmeabstrahlung nehmen kann.
Andererseits gibt es aber das lambertsche Gesetz,
welches auf die Oberfläche des Wärme abstrahlenden
Körpers Rücksicht nimmt. Trägt man die Lichtstärken
oder Strahlungsstärken, die ein lambertsches
Flächenelement in die verschiedenen möglichen
Richtungen ausstrahlt mit Pfeilen in den entsprechenden
Richtungen derart auf, daß die Länge der Pfeile der
Strahlungsstärke entspricht, so liegen die Spitzen
aller derart gezogenen Pfeile auf einer Kugelschale,
wenn es sich um eine lambertsche, also matte Fläche
handelt. Siehe Fig. 4. Dieses Abstrahlungsverhalten
hätte zur Folge, daß die Emission des gefalteten
Absorbers 5 im Bereich zwischen den konkav gekrümmten
Flächen in Richtung Sonne unerwünscht große
Energiemengen abgibt.
Andererseits lehrt aber die Physik, daß die Emission
einer nichtlambertschen, also glänzenden Fläche ein
anderes Verhalten aufweist. Die nach dem gleichen
Prinzip auf ein nichtlambertsches Flächenelement,
aufgetragenen Pfeile liegen mit ihren Spitzen auf einem
Rotationellipsoid, das mit der Spitze auf dem
Flächenelement steht. Das bedeutet, daß die Hauptmenge
der emitierten Energie rechtwinklig zur
nichtlambertschen Fläche ausgestrahlt wird und die
Hauptenergien in Richtungen, die dem rechten Winkel
nahe sind. Siehe Fig. 5! Andererseits ist die
Abstrahlung in Richtungen, die sehr weit von der
Lotrichtung abweichen, wesentlich verkleinert. Aus
diesem Grunde sind die sonnenseitigen, konkav
gekrümmten Oberflächen des Absorbers 5 als
nichtlambertsche, also glänzende Flächen ausgebildet,
jedoch schwarz. Beim flachen Absorber 8 kann die
sonnenseitige Oberfläche gegebenenfalls als
nichtlambertsche Fläche, die Rückseite als lambertsche
Fläche ausgebildet werden.
Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß der Hauptanteil
der Emission, d.h., der Wärmeabstrahlung, die sich
durch die Aufheizung des Absorbers 5 bzw. 8 ergibt,
insbesondere beim gefalteten Absorber 5 wiederum
zwischen den konkav gekrümmten Flächen 6 hin und her
reflektiert wird. Da jedes Auftreffen eines Strahles
auf eine Oberfläche mit einer Absorbtion von
Strahlungsenergie verbunden ist und nur ein Teil der
auftreffenden Energie reflektiert wird, haben die
konkav gekrümmten Flächen den Vorteil, auch die
Emissionsverluste in Verbindung mit ihren
nichtlambertschen Oberflächen oder schwarz-glänzenden
Oberflächen der Werte zu reduzieren, die mit anderen
Absorbern in Kauf genommen werden müssen.
Zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrades ist zwischen
die Spitzen des ziehharmonikaartig gefalteten
Absorbers 5 jeweils ein dünnes bzw. feines schwarzes
Metallnetz 12, das stumpfwinkliger als der Absorber 5
gefaltet ist, mit nach unten weisender Faltenspitze
zwischen die Flanken des gefalteten Absorbers 5
eingesetzt. Zusätzlich ist noch ein weiteres, ebenes,
schwarzes Metallnetz 13 sonnenseitig über die Spitzen
des gefalteten Absorbers ausgebreitet.
Der Effekt dieser Maßnahmen besteht darin, daß das
ebene Metallnetz 13 noch einen wesentlichen Anteil
derjenigen emitierten oder restlichen, geringen
reflektierten Strahlungen auffängt, die zwischen den
konkav gekrümmten Flächen 6 entweichen können, während
die gefalteten Metallnetze 12 in der Bahn der
Strahlenreflexion sowohl des einfallenden Lichtes wie
des emitierten Lichtes des gefaltenen Absorbers 5 sowie
des ebenen Absorbers 8 liegen und damit Strahlung in
Wärmeenergie umwandeln.
Da jeder Strahlungsdurchgang zwischen dem gefaltenen
Absorber 5 und dem flachen Absorber 8 durch
Kollektorflüssigkeit 4 führt, wird diese sowohl durch
Strahlung, insbesondere aber durch den Kontakt mit den
aufgeheizten Flächen, den Absorbern 5 und 8 sowie den
Metallnetzen 12 und 13 intensiv erwärmt. Da sowohl die
Absorber 5 und 6 sehr dünn sind und vorzugsweise aus
Metallblech, wie Kupfer oder Aluminium, bestehen,
welche eine gute Wärmeleitfähigkeit haben, ergibt sich
eine gute Wärmeübertragung zwischen Absorbern 5, 8 bzw.
absorbierenden Metallnetzen 12, 13 und
Kollektorflüssigkeit 5.
Der Wirkungsgrad dieses Absorbergehäuses 3 ist extrem
hoch, weil kaum noch reflektierte Strahlung und kaum
noch emitierte Strahlung verlorengehen kann.
Eine zusätzliche Verbesserung des Wirkungsgrades kann
dadurch erreicht werden, daß der Kollektorflüssigkeit 4
schwarze, feinstverteilte, in Suspension gehaltene
Farbpigmente (nicht dargestellt) beigegeben werden.
Durch diese Maßnahme wird bei jedem Strahlendurchgang
durch die Kollektorflüssigkeit 4 zusätzlich eine
Absorbtionswirkung durch die Pigmente erzielt und eine
unmittelbare Aufheizung erreicht.
Um Form und Stabilität des gefalteten Absorbers 5 auch
dann zu gewährleisten, wenn er sich auf höhere
Temperaturen erwärmt, ist es sinnvoll, dafür zu sorgen,
daß die ziehharmonikaartig gefaltete Form in sich
elastisch nachgiebig ist, weil sich dann Wärmedehnungen
leicht kompensieren lassen.
Der Wärmeübergang vom Absorber 5, 8 auf die
Kollektorflüssigkeit 4 wird durch die extreme Dünne der
Absorber 5, 8 besonders begünstigt. Deswegen sollen
diese, soweit möglich, Dicken um 0,1 bis 0,3 mm haben.
Zusätzlich kann der Übergang an die
Kollektorflüssigkeit noch dadurch verbessert werden,
daß die Spitzen der Sonnenseite des gefalteten
Absorbers 5 gemäß Fig. 9 quer zu ihrer Länge ein
schwaches Wellenprofil 14 haben. Ein Wellenprofil an
der Spitze verursacht in der in Richtung des Pfeiles 15
in Fig. 9 strömenden Kollektflüssigkeit
Wirbelbildungen, die den Wärmeübergang optimieren.
Praktisch läßt sich der in der Fig. 1 im Prinzip
dargestellte und erläuterte Sonnenkollektor 1 auf
unterschiedliche Weise, je nach Bedarf, kostengünstig
verwirklichen.
Die Fig. 2 zeigt einen Sonnenkollektor 1, bei dem ein
äußeres Plexiglasrohr 16 und ein koaxial innen
angeordnetes Plexiglasrohr 17 vorgesehen sind. Beide
sind koaxial ineinander und im Abstand gehalten.
Zwischen beiden kann Luft als wärmeisolierender Stoff
vorhanden sein. Es kann aber auch ein luftleerer Raum
vorgesehen sein. In beiden Fällen bildet aber das
innere Plexiglasrohr 17 zugleich das Absorbergehäuse 3.
Zusammen mit dem äußeren Plexiglasrohr bildet es das
Abdeckgehäuse 2, und beide gemeinsam bilden im
rückseitigen Bereich das Äquivalent eines
wärmeisolierenden Körpers 11. Der gefaltete Absorber 5
ist in diesem Fall in das innere Plexiglasrohr 17, d.h.
das Absorbergehäuse 3, querschnittsfüllend eingesetzt,
und der flache Absorber 8 bedeckt die Innenseite des
inneren Plexiglasrohres 17 im unteren, rückseitigen
Bereich halbschalenförmig. Er ist auf der Sonnenseite
verspiegelt, auf der Rückseite schwarz, so daß er alle
von der Rückseite kommenden Wärmestrahlungen durch
Absorbtion in nutzbare Wärmeenergie umwandeln kann. Um
diese Wirkung zu vergrößern, ist das äußere
Plexiglasrohr 18 auf der rückwärtigen Hälfte mit einer
halbschalenartigen, spiegelnden Fläche 18 versehen.
Wegen der sehr hohen Wirkung der bereits beschriebenen
Absorber 5 und 8, kann bei dieser Ausgestaltung auf die
Metallnetze 12, 13 verzichtet werden.
Die Fig. 3 zeigt einen Sonnenkollektor 1 mit dem
bereits erwähnten, äußeren Plexiglasrohr 16, das den
Platz des Abdeckgehäuses 2 einnimmt. Bei diesem ist
diametral in der Mitte ein Absorbergehäuse 3 eingebaut,
dessen Aufbau dem Prinzip gem. Fig. 1 einspricht, wenn
der wärmeisolierende Körper 11 weggelassen wird. Dieser
wärmeisolierende Körper 11 wird durch den Abstand des
Absorbergehäuses 3 vom Plexiglasrohr 16 ersetzt. Auch
in diesem Fall kann der Raum zwischen Absorbergehäuse 3
und außerem Plexiglasrohr 16 evakuiert werden.
Als besonders praktisch und preiswert erweist es sich,
wenn alle spiegelnden Flächen 18, 10 aus Aluminiumfolie
bestehen.
Die Fig. 7 und 8 zeigen eine besonders preiswerte
Ausgestaltung eines Sonnenkollektors 1 in Einzelheiten.
Gemäß Fig. 8 ist zu erkennen, daß als Absorbergehäuse 3
ein Abschnitt geeigneter Länge einer handelsüblichen,
als Meterware käuflichen Plexiglas-Doppelstegplatte 19
verwendet wird. Durch die Doppelstegplatte bzw. ihre
Stege 20 wird die Doppelstegplatte 19 in eine Mehrzahl
parallel zueinander verlaufender langgestreckter
flachquaderförmiger Hohlräume 21 aufgegliedert. Wenn
der Abschnitt der Doppelstegplatte 19 an den Enden so
behandelt wird, daß die mittleren Stege 20 an den Enden
entfernt und die Stirnseiten der Doppelstegplatte 19
verschlossen werden und die verschlossenen Enden mit
Anschlußstutzen 22 für das Hindurchtreten von
Kollektorflüssigkeit 4 versehen werden, dann liegt
gewissermaßen eine Mehrfach-Absorbergehäuseplatte vor.
In die Hohlräume 21 werden nun gefaltete Absorber 5,
flache Absorber 8, ggfs. auch Netze 12, 13, von den
Stirnenden her eingeschoben und mittels
wärmeisolierender Distanzstücke 23 im Abstand von der
oberen Wand 24 und der unteren Wand 9 des
Absorbergehäuses bzw. der Doppelstegplatte 19 gehalten.
Als Kollektorflüssigkeit kann klare Flüssigkeit oder
schwarz pigmentierte Flüssigkeit verwendet werden.
Gegen die Rückseite der unteren Wand 9 wird außen eine
Aluminiumfolie als spiegelnde Fläche 10 aufgelegt und
dahinter eine isolierende Kunststoffplatte 11, bspw.
eine Styroporplatte, gesetzt, die auf ihrer Rück- oder
Außenseite mit witterungsschutzgewährender und zugleich
wärmeisolierender Kunststoffolie 25 bedeckt, bzw.
beklebt ist. Auf die Oberseite des Absorbergehäuses 3
bzw. die Doppelstegplatte wird randseitig ein
vorzugsweise elastischer, wärmeisolierender
Randstreifen 26 außen ringsherum aufgelegt und ein
endseitig verschlossener, gleichgroßer Abschnitt einer
weiteren Doppelstegplatte 27 aufgesetzt, dessen
Hohlräume ggfs. luftleer sein können. Die
Kunststoffisolierplatte 11, die als Absorbergehäuse 3
dienende Doppelstegplatte 19, die als Abdeckgehäuse 2
dienende weitere Absorberplatte 27 einschließlich des
Distanzstreifens 26 und eines zusätzlichen auf die
Oberseite des Abdeckgehäuses 2 aufgelegten weiteren
gleichartigen Distanzstreifens 28, werden in einem
Rahmen 29 zusammengefaßt, der aus nach innen offenen
U-Profilen, bspw. aus Aluminium, besteht und der so
bemessen ist, daß er alle genannten Bauteile des
Sonnenkollektors 1 zusammenhält. Zusätzlich kann an den
Enden der U-Schenkel Dichtungsmasse 30 gegen
Witterungsfeuchte eingebracht sein.
Um Wärmeverluste des Absorbergehäuses 3, d.h. der
mittleren Doppelstegplatte 19 an den metallischen
Rahmen 29 zu verhindern, sind die jeweils links und
rechts äußersten Stege 20 nicht, wie die mittleren,
ausgespart, so daß der jeweils äußere Hohlraum 20 auf
beiden Seiten der Doppelstegplatte 19 bzw. des
Absorbergehäuses 3 - soweit er in oder unter dem Rahmen
29 liegt - frei von Absorbern und Kollektorflüssigkeit
ist und so - entweder mit Luft gefüllt oder evakuiert -
der Wärmeisolation als Wärmeisolierkammer 31 dient.
Der Sonnenkollektor 1 gem. Fig. 7 kann sehr flach sein,
er ist preiswert und sehr leicht. Da er aufgrund der
bereits beschriebenen Eigenschaften einen hohen
Wirkungsgrad hat, kann in Sonderfällen auf das
Abdeckgehäuse 2 verzichtet werden. Diese Maßnahme ist
dann von Vorteil, wenn es auf besonders geringe Bauhöhe
ankommt, d.h. wenn etwa Dachfenster, Luken o.dgl. durch
Sonnenkollektoren 1 ersetzt werden sollen. Die hohe
Wirksamkeit des Sonnenkollektors gestattet dieses
Weglassen des Abdeckgehäuses in vielen Fällen.
Wo es besonders auf preissparende Ausgestaltung
ankommt, kann auch der flache Absorber 8 weggelassen
werden, denn die spiegelnde Fläche 10 führt
abgestrahlte Wärme gegen die Rückseiten der konkav
gekrümmten Flächen 6 des gefalteten Absorbers 5 und
hält damit Abstrahlungsverluste nach hinten in Grenzen.
Allerdings ist mit dem Weglassen des flachen
Absorbers 8 eine Verringerung der wärmeübertragenden
Flächen verbunden, so daß das Temperaturgefälle
zwischen Absorbertemperatur und
KollektorflüssigkeitsTemperatur etwas größer wird.
Es ist aufgrund der geschilderten Ausgestaltungen des
erfindungsgemäß ausgebildeten Sonnenkollektors 1
möglich, mit verhältnismäßig geringem finanziellen
Aufwand leistungsfähige Sonnenkollektoren zu bauen.
Wird der Aufwand etwas vergrößert, aber eben immer noch
im Rahmen wirtschaftlicher Amortisierbarkeit, so
besteht die Möglichkeit, in Klimazonen, für die ein
Sonnenkollektor 1 bisher undenkbar war, auf diese Weise
Wärmeenergie zu gewinnen. Außerdem bietet die Erfindung
die Möglichkeit, mit geringem Gewicht und mit extrem
kleinen Abmessungen Sonnenenergie in Wärme umzuwandeln.
Alle in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den
Zeichnungen dargestellten Einzel- und
Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich
angesehen.
Der Schutzumfang der Erfindung erstreckt sich nicht nur
auf die Merkmale der einzelnen Ansprüche, sondern auch
auf deren Kombination.
Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung nicht
auf die dargestellten und beschriebenen
Ausführungsbeispiele beschränkt werden soll. Vielmehr stellen
diese nur vorteilhafte Ausgestaltungsformen des
Erfindungsgedankens dar.
Claims (16)
1. Sonnenkollektor, mit einem weitgehend als schwarzer
Körper ausgebildeten Absorber, der in einem
langgestreckten Absorbergehäuse aufgenommen ist,
das mit in Längsrichtung strömender Kollektorflüssigkeit gefüllt ist und das wenigstens sonnenseitig verlustarm strahlendurchlässig ausgebildet ist sowie mit wenigstens sonnenseitig vorgesehenen, gegen Wärmeleitungs- sowie Strahlungsverluste isolierendem Abdeckgehäuse,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Absorber (5) ein folien- oder blechartiger, fester Körper ist, der parallel zur Länge des Absorbergehäuses ziehharmonikaartig gefaltet ist, wobei die Falten sonnenseitig einander zugewandte, schwach konkav gekrümmte Flanken (6) haben,
daß der Absorber (5) sonnenseitig und rückseitig schwarz ist,
daß ein ungefalteter, flacher Absorber (8) quer über die rückseitigen Spitzen des gefalteten Absorbers (5) verläuft und wenigstens rückseitig schwarz ist,
daß rückseitig hinter dem gefalteten Absorber eine spiegelnde bzw. strahlenreflektierende Fläche (10) angeordnet ist,
und daß hinter der spiegelnden Fläche ein wärmeisolierender Korper (11) vorgesehen ist.
das mit in Längsrichtung strömender Kollektorflüssigkeit gefüllt ist und das wenigstens sonnenseitig verlustarm strahlendurchlässig ausgebildet ist sowie mit wenigstens sonnenseitig vorgesehenen, gegen Wärmeleitungs- sowie Strahlungsverluste isolierendem Abdeckgehäuse,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Absorber (5) ein folien- oder blechartiger, fester Körper ist, der parallel zur Länge des Absorbergehäuses ziehharmonikaartig gefaltet ist, wobei die Falten sonnenseitig einander zugewandte, schwach konkav gekrümmte Flanken (6) haben,
daß der Absorber (5) sonnenseitig und rückseitig schwarz ist,
daß ein ungefalteter, flacher Absorber (8) quer über die rückseitigen Spitzen des gefalteten Absorbers (5) verläuft und wenigstens rückseitig schwarz ist,
daß rückseitig hinter dem gefalteten Absorber eine spiegelnde bzw. strahlenreflektierende Fläche (10) angeordnet ist,
und daß hinter der spiegelnden Fläche ein wärmeisolierender Korper (11) vorgesehen ist.
2. Sonnenkollektor insbesondere nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die konkav gekrümmten Oberflächen (6) des
gefalteten Absorbers (5) schwarz und glänzend als
"nichtlambertsche" Flächen ausgebildet sind.
3. Sonnenkollektor nach Anspruch 1 und/oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die sonnenseitigen Faltenspitzen des gefalteten
Absorbers (5) quer zu ihrer Länge schwach
wellenförmig profiliert sind. (Pos. 14)
4. Sonnenkollektor nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß dünne, bzw. feine, schwarze Metallnetze (12),
stumpfwinkliger als der Absorber gefaltet,
beidseitig zwischen die Falten des Absorbers (5)
mit zur Rückseite weisenden Faltenspitzen
eingesetzt sind,
und daß ein ebenes, schwarzes Metallnetz (13)
sonnenseitig über Spitzen der Falten des
Absorbers (5) verläuft.
5. Sonnenkollektor nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kollektorflüssigkeit (4) mit suspendiertem,
schwarzen Farbstoff vermischt ist.
6. Sonnenkollektor nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Abdeckgehäuse (2) und der wärmeisolierende
Körper (11) als gemeinsames, im Querschnitt
kreisförmiges Plexiglasrohr (16) ausgebildet sind,
und daß das Absorbergehäuse (3) mittig im
Plexiglasrohr (16) angeordnet ist.
7. Sonnenkollektor nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Absorbergehäuse (3) als im Querschnitt kreisförmiges, inneres Plexiglasrohr (17) ausgebildet ist,
daß das Absorbergehäuse (3, 17) im äußeren Plexiglasrohr (16) konzentrisch angeordnet ist, daß der flache Absorber (8) die sonnenabgewandte Seite des inneren Plexiglasrohres (17) innen halbschalenartig bedeckt,
daß seine, dem gefalteten Absorber (5) zugekehrte Seite spiegelnd ausgebildet ist, und daß das äußere Plexiglasrohr (16) auf der sonnenabgewandten Querschnittshälfte innen, halbschalenartig verspiegelt ist (Pos. 18).
daß das Absorbergehäuse (3) als im Querschnitt kreisförmiges, inneres Plexiglasrohr (17) ausgebildet ist,
daß das Absorbergehäuse (3, 17) im äußeren Plexiglasrohr (16) konzentrisch angeordnet ist, daß der flache Absorber (8) die sonnenabgewandte Seite des inneren Plexiglasrohres (17) innen halbschalenartig bedeckt,
daß seine, dem gefalteten Absorber (5) zugekehrte Seite spiegelnd ausgebildet ist, und daß das äußere Plexiglasrohr (16) auf der sonnenabgewandten Querschnittshälfte innen, halbschalenartig verspiegelt ist (Pos. 18).
8. Sonnenkollektor nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Absorbergehäuse (3) als flach quaderförmiger Plexiglas-Hohlkörper ausgebildet ist und im äußeren Plexiglasrohr (16) diametral angeordnet ist,
daß die untere Wand (9) des Plexiglas-Hohlkörpers innen verspiegelt ist,
und daß der gefaltete Absorber (5) mit den oberen Faltenspitzen im Abstand von der oberen, mit den unteren Faltenspitzen im Abstand von der unteren Wand (9) des Plexiglas-Hohlkörpers angeordnet ist.
daß das Absorbergehäuse (3) als flach quaderförmiger Plexiglas-Hohlkörper ausgebildet ist und im äußeren Plexiglasrohr (16) diametral angeordnet ist,
daß die untere Wand (9) des Plexiglas-Hohlkörpers innen verspiegelt ist,
und daß der gefaltete Absorber (5) mit den oberen Faltenspitzen im Abstand von der oberen, mit den unteren Faltenspitzen im Abstand von der unteren Wand (9) des Plexiglas-Hohlkörpers angeordnet ist.
9. Sonnenkollektor nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Raum zwischen dem Absorbergehäuse (3) und
dem äußeren Plexiglasrohr (16) luftleer ist.
10. Sonnenkollektor nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Mehrzahl flach, quaderförmiger Absorbergehäuse (3) parallel nebeneinander verlaufend und an den Enden miteinander kommunizierend in einer Plexiglas-Doppelstegplatte (19) einstückig zusammengefaßt sind,
daß die gefalteten und flachen Absorber (5, 8) jeweils mit Abstand von der unteren sowie oberen Wand (9, 19) der Doppelstegplatte (19) in deren Hohlräume (20) eingesetzt sind,
daß die spiegelnde Fläche (10) an der Außenseite der unteren Wand (9) der Doppelstegplatte (19) angeordnet ist,
daß der wärmeisolierende Körper als Kunststoffisolierplatte (11), z.B. Styroporplatte, ausgebildet und an der Rückseite der spiegelnden Fläche (10) anliegend angeordnet ist,
daß die Doppelstegplatte (19) und die Kunststoffisolierplatte (11) von einem rechteckförmigen, aus nach innen offenen U-Profilen bestehenden Rahmen (29) umschlossen und zusammengehalten sind,
und daß der Rahmen (29) an seinen beiden Stirnseiten, einander diagonal gegenüberliegend, je einen Anschlußstutzen (22) für die strömende Kollektorflüssigkeit (4) aufweist.
daß eine Mehrzahl flach, quaderförmiger Absorbergehäuse (3) parallel nebeneinander verlaufend und an den Enden miteinander kommunizierend in einer Plexiglas-Doppelstegplatte (19) einstückig zusammengefaßt sind,
daß die gefalteten und flachen Absorber (5, 8) jeweils mit Abstand von der unteren sowie oberen Wand (9, 19) der Doppelstegplatte (19) in deren Hohlräume (20) eingesetzt sind,
daß die spiegelnde Fläche (10) an der Außenseite der unteren Wand (9) der Doppelstegplatte (19) angeordnet ist,
daß der wärmeisolierende Körper als Kunststoffisolierplatte (11), z.B. Styroporplatte, ausgebildet und an der Rückseite der spiegelnden Fläche (10) anliegend angeordnet ist,
daß die Doppelstegplatte (19) und die Kunststoffisolierplatte (11) von einem rechteckförmigen, aus nach innen offenen U-Profilen bestehenden Rahmen (29) umschlossen und zusammengehalten sind,
und daß der Rahmen (29) an seinen beiden Stirnseiten, einander diagonal gegenüberliegend, je einen Anschlußstutzen (22) für die strömende Kollektorflüssigkeit (4) aufweist.
11. Sonnenkollektor nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Rahmen (29) sonnenseitig im Abstand von der
Doppelstegplatte (19) eine weitere, obere
Doppelstegplatte (29) als Abdeckgehäuse (2)
aufgenommen ist.
12. Sonnenkollektor nach Anspruch 10 und/oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Außen- bzw. Rückseite der
Kunststoffisolierplatte (11) mit einer
Witterungsschutz gewährleistenden und
wärmeisolierenden Kunststoffolie (25) bedeckt ist.
13. Sonnenkollektor nach einem oder mehreren der
Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden unter, bzw. teilweise in den
U-Profilen des Rahmens (29) liegenden, äußeren
Hohlräume (20) der als Mehrfachabsorbergehäuse (3)
ausgebildeten Doppelstegplatte (19) als
Wärmeisolierkammern (31) gegen die strömende
Kollektorflüssigkeit (4) abgeschottet und frei von
Absorbern (5, 8) ausgebildet sind.
14. Sonnenkollektor nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die spiegelnden Flächen (10) als
Aluminiumfolien ausgebildet sind.
15. Sonnenkollektor nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß der gefaltete und der flache Absorber (5, 8)
aus höchstens 1 mm vorzugsweise 0,1 bis 0,3 mm
dickem Metallblech mit geschwärzter, ggfs. schwarz
glänzender Oberfläche bestehen, wobei wenigstens
der gefaltete Absorber (5) in seiner Form elastisch
federnd ausgebildet ist.
16. Sonnenkollektor nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Absorber (5, 8) aus Kupfer bestehen.
17. Sonnenkollektor nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Absorber (5, 8) aus Aluminium bestehen.
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Date | Code | Title | Description |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: BURCHERT, HUBERT, 5450 NEUWIED, DE |
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