CH624754A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonnenenergie-Kollektoranlage gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Angesichts der allgemeinen Erkenntnis der endlichen Grenzen für die Verfügbarkeit von petrochemischen und anderen Brennstoffquellen richtet sich starke Aufmerksamkeit auch auf die Ausnutzung der Sonnenenergie zu Heiz-, Kühl-und anderen Zwecken (siehe z. B. J. A. Duffie und W. A. Beckman, Science 191, Nr. 4223,143,1976).

Darin erläutern die Verfasser mit Luft oder Wasser als Heizfluid arbeitende Solarheizsysteme, wie sie für die Sammlung von Sonnenenergie grundsätzlich Verwendung finden, sowie die in Verbindung mit diesen Systemen verwendeten Speicher für die Speicherung von Wärmeenergie, nämlich Kieselsteinbetten bzw. Wassertanks, und sie zeigen auf, dass bisher vorwiegend die Systeme mit Wasserheizung zum Einsatz kommen. Bei diesen Systemen mit Wasserheizung können sich naturgemäss Schwierigkeiten in Verbindung mit dem Frieren oder Sieden des Wassers ergeben, und ausserdem fallen die Kollektoren in diesen solaren Wasserheizungssystemen erheblich teurer aus als die entsprechenden Kollektoren für Solarsysteme mit Luftheizung, da sie zum einen Rohrleitungen für den Transport des Heizwassers und ausserdem Vorkehrungen für einen guten Wärmeaustausch zwischen dem Kollektor selbst und der Flüssigkeit in diesen Rohren benötigen. Beide bekannten Systeme arbeiten mit für Strahlungsenergie durchlässigen Deckscheiben, die im allgemeinen als Glasscheiben bezeichnet werden, sowie mit einer isolierenden Struktur auf der Rückseite und an den Rändern der Kollektorplatten. In dem zitierten Artikel wird weiter aufgezeigt, dass sich die Sammlung von Sonnenenergie auch in Kühlsystemen ausnutzen lässt, obwohl dazu ein zusätzlicher thermodynamischer Prozess notwendig wird.

Die Verfasser geben ferner eine allgemeine Gleichung an,

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die vielfach zur Definition des nutzbaren Gewinns eines Kollektors dient, wobei als Bestimmungsgrössen die Strömungsgeschwindigkeit, Temperaturgradienten, die Strahlungsabsorption, der Einfallswinkel für die Sonnenenergie, die Anzahl der Deckscheiben, die Eigenschaften der Kollektorplatte und der 5 Deckscheiben und eine Anzahl weiterer Faktoren Berücksichtigung finden. Beckman und Duffie zeigen auf, dass eine Steigerung der Kollektortemperatur zu einer Vergrösserung der thermischen Verluste führt, die ihrerseits die Ausgangsleistung des Kollektors vermindern, indem sie sich der ab- 10 sorbierten Strahlungsenergie nähern. Dagegen diskutieren die Verfasser nicht auch eine andere sehr wesentliche Art von thermischen Verlusten, die sich aus der natürlichen — freien — Konvektion ergeben, die ihre Ursache in der Aufheizung der der einfallenden Sonnenstrahlung zugewandten Oberseite 15 der Kollektorplatte hat. Bereits vor mehr als 70 Jahren wurde jedoch gezeigt, dass sich an der Oberfläche der Kollektorplatte eine zellenförmige Rezirkulation von Gasen ergeben kann, die dann eine erhebliche Verstärkung der Konvektions-verluste zur Folge hat. Diese sogenannten Benard-Zellen sind 20 dann anschliessend in mehr Einzelheiten studiert worden, und es sind auch verschiedene Schemata für eine Verminderung oder Unterdrückung dieses unerwünschten Effekts ins Auge gefasst worden. Zu den in diesem Zusammenhang vorgeschlagenen Techniken gehört die Verwendung einer offe-nen bienenwabenförmigen Struktur und mehrerer ebener Absorptionselemente, die so geometrisch angeordnet sind, dass sie das Entstehen einer Zellwirkung verhindern. Derartige Hilfsmittel führen jedoch zu einer erheblichen Steigerung der Herstellungskosten für die Kollektorplatten, und sie bringen 3fl ausserdem andere, wenn auch relativ geringere, Verlustquellen in das System ein.

Auch die Verfasser nennen mehrere Hilfsmittel zur Verbesserung des Kollektorwirkungsgrades, wie etwa die Verwendung von selektiv arbeitenden Oberflächen mit geringem 35 Emissionsvermögen und die Ausbildung eines Vakuums in wenigstens einem Inneren Volumen innerhalb der Kollektorstruktur. Das erstgenannte Hilfsmittel lässt sich in Verbindung mit den meisten Kollektorsystemen und auch bei den unten erläuterten Kollektoren mit Vorteil einsetzen, das 40 zweitgenannte Hilfsmittel dagegen bringt solche wirtschaftliche und wartungsmässige Nachteile mit sich, dass es nach Möglichkeit nicht vorgesehen werden sollte.

Die Faktoren in den Gleichungen der Verfasser enthalten keinen Term für die thermische Masse der Anlage. Es liegt 45 jedoch auf der Hand, dass die zeitlichen Verzögerungen, die bei der Aufheizung des Kollektorsystems auftreten und von der Wärmekapazität dieses Systems abhängen, in einer Umgebung von ausschlaggebender Bedeutung sein können, in der die Sonneneinstrahlung nur schwach, intermittierend oder 50 beides ist. So kann in höheren Breitengraden die Wärmekapazität einer solaren Wasserheizungsanlage unzulässig gross sein. Als für eine solche Anlage typisch kann angesetzt werden, dass die thermische Masse der Kollektorplatte für eine Aufheizung auf einen Temperaturunterschied von 50° C ge- 55 genüber ihrer Umgebung eine Zeitspanne von etwa 5 Minuten braucht, während weitere 15 Minuten für die Aufheizung der Wassermasse benötigt werden. Zusätzlich werden in hohen Breitengraden eingesetzte Anlagen insbesondere auch durch Wind und niedrige Umgebungstemperaturen beein- 60 trächtigt. Der übliche Ausweg der Anordnung zusätzlicher Glasdeckscheiben kann diese Wärmeverluste zwar vermindern, jedoch geht dies auf Kosten einer erheblichen Ab-schwächung und Reflexion der einfallenden Strahlungsenergie. Es wäre daher weit mehr vorzuziehen, wenn sich die 6J Wärmekapazität der Anlage vermindern liesse, ohne dass die Anzahl der Glasdeckscheiben vergrössert oder ein abgedichtetes Vakuumsystem eingeführt werden muss.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Sonnenenergie-Kollektoranlage der eingangs genannten Art, die die Nachteile bekannter Ausführungen nicht aufweist und es insbesondere erlaubt, auch in hohen Breitengraden einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 definierten Massnahmen gelöst.

Diese im folgenden kurz Dualanlage genannte Anlage weist eine ganze Anzahl von Vorteilen auf. Ein Vorteil besteht in der Möglichkeit, natürliche Konvektionsverluste zu unterdrücken. Mit Vorteil macht der zweite Teilstrom zwischen 25 und 75 o/o des Gesamtstromes des Kollektors aus.

Besondes vorteilhafte Ausgestaltungen der Sonnenenergie-Kollektoranlage sind in den Ansprüchen 2 bis 30 umschrieben.

Hier sind also im Kollektor zwei Strömungswege für einen fluiden Wärmeträger relativ zu wärmeabgebenden Oberflächen der Kollektorplatte vorhanden. Dabei ist der erste Teilstrom auf die Unterseite der Kollektorplatte begrenzt. Zur Unterdrückung der natürlichen — freien — Strömungskon-vektion auf der Oberseite der Kollektorplatte dient der zweite Teilstrom, der Strömungskomponenten bildet, die mindestens streckenweise gegen die Ebene der Kollektorplatte geneigt verlaufen, die an einer oder mehreren Stellen durch die Kollektorplatte hindurchtreten und die den ersten Teilstrom treffen, um mit letzterem in Wärmeaustausch zu treten. Bei der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch. 2 kommt die Erzeugung einer Saugwirkung für Nebenluft zustande. Der so erzielbare hohe Wirkungsgrad der Anlage, der sich insbesondere für einen Einsatz in einer Umgebung mit schwacher und intermittierender Sonnenstrahlung eignet, wird vorteilhaft durch Kollektorplatten mit geringer thermischer Masse gefördert, die einen guten Wärmeaustausch mit einer relativ kleinen Luftmasse ermöglicht, wobei jedoch die Wärmeleitung längs der Kollektorplatte zweckmässig in Richtung des Luftstromes begrenzt bleibt. Dann stellt sich nämlich längs der Länge der Kollektorplatte ein Temperaturgefälle ein, was wiederum mit einem geringen Temperaturunterschied zu der aufgeheizten Luftmasse an jeder Stelle, mit einem raschen Ansprechen der Heizung und mit einer Verminderung der Rückstrahlungsverluste verbunden ist. Bei Rezirkulation der Luft in einer Wärmeaustauscheinrichtung von geringer thermischer Masse mit einer Energiespeichereinrichtung in der Weise, dass das eintretende Fluid die geringste zulässige Temperatur aufweist, lässt sich die auf den Kollektor auftreffende Sonnenstrahlung stärker ausnutzen. Für die Speicherung der Wärmeenergie weist der Speicher mit Vorteil eine minimale Entropie auf, wobei die Wärmeenergie der aufgeheizten Luftmasse zweckmässig im Gegenstrom mit einem Speicherfluid ausgetauscht wird, das je nach Intensität der nutzbaren Sonnenstrahlung in Speicher mit verschiedenen Temperaturpegeln eingespeist werden kann.

Obwohl sich die Dualanlage auch mit Wasser als Fluid betreiben lässt, sind ihre Vorteile bei Verwendung von Luft als Fluid besonders zahlreich und ausgeprägt. Bei einer dünnen Kollektorplatte mit geringer thermischer Masse und geringem Abstand von einer isolierenden Rückwand bewegt sich dann längs der Unterseite der Kollektorplatte und in innigem Wärmeaustausch mit ihr ein laminarer Luftstrom von geringer Masse. Die Wärmeleitung der Kollektorplatte soll anisotrop sein, d. h. ihre Wärme wirksamer auf die zugeordnete Luftmasse übertragen als längs der Kollektorplatte leiten, so dass sich in Strömungsrichtung ein Temperaturgefälle aufbaut. Ausserdem besteht an jeder Stelle längs der Strömungs-richtung zweckmässig ein nur kleiner Temperaturunterschied zwischen der Luftmasse unterhalb der Kollektorplatte und der Kollektorplatte selbst, wobei das Temperaturmaximum erst im Auslassbereich der Kollektorplatte erreicht wird. Obwohl

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die Dualanlage so zu einer gewissen Verzerrung des Tempe- sen und mit Glasrohren oberhalb der Kollektoroberfläche ar-raturgefälles längs der Kollektorplatte führt, ergibt sich dar- beiten.

aus nicht nur eine Unterdrückung der Verluste durch freie Bevorzugte Ausführungsformen des Erfindungsgegen-

Konvektion, sondern auch eine sehr kleine Zeitkonstante für stands werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben, die Umwandlung der Strahlungsenergie in Wärme, während 5 dabei zeigen schematisch:

die Rückstrahlungsverluste geringer werden. Zur Erzielung Fig. 1 eine Sonnenenergie-Kollektoranlage;

einer minimalen Entropie wird für den Wärmeaustausch zwi- Fig. 2 einen Kollektor der Anlage der Fig. 1 im Schnitt;

sehen der aufgeheizten Luft und einer Flüssigkeit, wie bei- Fig. 3 in grösserem Massstab einen Ausschnitt aus Fig. 2;

spielsweise Wasser, vorteilhaft ein Gegenstromwärmetauscher Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Oberflächen-mit kleiner thermischer Masse und hohem Wirkungsgrad ver- io temperaturverteilung längs der Kollektorlänge;

wendet. Zweckmässig wird an mindestens einer Stelle dieses Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Druck- und

Wärmetauschers die Temperatur gemessen und der Messwert Temperaturverteilung längs der Kollektorlänge;

dazu verwendet, die Abgabe der aufgeheizten Flüssigkeit an Fig. 6 bis 8 drei andere Kollektorausführungen in ähn einen von mehreren getrennten, aber miteinander verbünde- licher Darstellungsweise wie in Fig. 2;

nen, isolierten Speicherbehältern zu steuern, von denen jeder 15 Fig. 9 ein Blockschema einer Wärmeenergie-Speicher-einem anderen Temperaturpegel zugeordnet ist. Unabhängig anläge mit kleinstmöglicher Entropie;

davon, an welcher Stelle das Wasser in diese mehrstufige Fig. 10 einen Wabenkörper in schaubildlicher Darstellung

Speichereinrichtung eingeführt wird, wird es vorteilhaft wei- ausschnittweise;

ter in Umlauf durch den Wärmetauscher gehalten, wobei stets Fig. 11 eine weitere Kollektorausführung mit Vorrichtun-das Wasser mit der niedrigsten Temperatur das eintretende 20 gen zur Konzentrierung der einfallenden Strahlung;

Wasser bildet. Auf diese Weise wird zweckmässig die in der Fig. 12 eine weitere Kollektorausführung zur Wasser-

Kollektoranlage umlaufende Luft stets mit der geringsten zu- erhitzung in schaubildlicher Darstellung ausschnittsweise; lässigen Eintrittstemperatur injiziert, so dass ein sehr hoher uncj

Wirkungsgrad erzielbar ist. Gleichzeitig kann so verhindert Fig. 13 eine Vielzahl von Glasrohren innerhalb eines Kol werden, dass die aufgeheizte Luft nicht auf eine Flüssigkeit 25 Iektors im Schnitt ausschnittsweise.

mit höherer Temperatur trifft. Mit den im folgenden verwandten Begriffen Sonnenener-

Infolge aller dieser Vorteile lässt sich insgesamt auch bei gie, Strahlungsenergie und Sonnenstrahlung sind jeweils die schwacher oder intermittierender Sonnenstrahlung ein Wir- Anteile des elektromagnetischen Energiespektrums angespro-kungsgrad erzielen, wie er bisher auch nicht annähernd zu chen, die — gerichtet oder diffus, innerhalb oder ausserhalb erzielen war, obendrein mit niedrigeren Gestehungskosten. 30 des Bereichs des sichtbaren Lichtes — von der Sonne aus-Eine dünne Kollektorplatte mit einer Dicke bis zu einer gehen und sich durch Absorption in Wärmeenergie umwan-

Grössenordnung von 0,5 mm ist zweckmässig in einem Ab- dein lassen. Obwohl von insgesamt acht Kollektoren 10 in stand von 3 mm oder weniger von einer isolierenden Rück- Fig. 1 oben nur ein einziger Kollektor 10 näher dargestellt wand angeordnet, und ihr kann in üblicher Weise eine ein- ist, liegt es auf der Hand, dass Anzahl, Grösse und Form fache oder doppelte Glasscheibe vorgesetzt sein. Beim Kol- 35 dieser Kollektoren in weiten Grenzen variieren können; ent-lektor strömt vorzugsweise eintretende Luft zwischen einem sprechend versteht sich auch, dass diese Kollektoren in ihrer Paar von Deckscheiben aus Glas oder Kunststoff rund um Winkellage und ihrer Richtung einstellbar sein können und die Längsränder der Kollektoiplatte und quer zu den Seiten- dem Sonnenstande entsprechend nachgeführt werden kön-rändern zu einer zentralen Auslassleitung, die unmittelbar in nen. Beim Kollektor 10 wird kalte Luft über eine Einlass-der isolierenden Rückwand ausgebildet sein kann. Der zweite 40 leitung 12 zugeführt und in das Kollektorinnere injiziert, Teilstrom verläuft zweckmässig zwischen der Oberseite der während heisse Luft über eine Auslassleitung 14 abgeführt Kollektorplatte und der Unterseite der angrenzenden Glas- wird, die mit einer geeigneten Isolierung 15 versehen ist. Die deckscheibe, bevor er durch Strömungsöffnungen in der Kol- Begriffe «kalt» und «heiss» werden im folgenden ungeachtet lektorplatte hindurchströmt, um sich mit dem ersten Teil- ihres selbstverständlich relativen Charakters zur Bezeichnung ström auf der Unterseite der Kollektoiplatte zu vereinigen. 45 entweder der Umgebungstemperatur oder der niedrigsten, für Mit Vorteil können diese Strömungsöffnungen räumlich die umlaufende Luft aufrecht zu erhaltenden Temperatur auf asymmetrisch über die Kollektorplatte verteilt sein, indem sie der einen Seite und für die durch die Strahlungsenergie auf-sich beispielsweise nur im heisseren Abschnitt der Kollektor- geheizte Luft unabhängig von der jeweils erreichten Endtemplatte befinden, wo die Notwendigkeit für eine Unterdrük- peratur auf der anderen Seite verwendet. Dabei bezieht sich kung der freien Konvektion am grössten ist. Weiter ist im 50 der Ausdruck «niedrigste aufrecht zu erhaltende Tempera-zweiten Strömungsweg vorzugsweise eine Einschnürung vor- tur», wie unten noch näher gezeigt wird, auf eine im statio-gesehen, so dass sich ein geeigneter Druckunterschied zwi- nären Zustand herrschende Eintrittstemperatur, die durch sehen dem zweiten und dem ersten Teilstrom erzielen lässt, einen Wärmeaustausch im Gegenstrom in einer wirksamen was zu einem leichter steuerbaren Saugeffekt führt und die Speichereinrichtung erzielt wird. Weiter wird für die nachgrössere Bemessung der Strömungsöffnungen gestattet, die 55 stehende Beschreibung ein Betrieb der Anlage unter Rand-somit weniger leicht verstopft werden können. Vorzugsweise bedingungen für den Lichtstrom angenommen, d. h. ein Bewird der zweite Teilstrom erhalten, wenn ein Teil des Gesamt- trieb bei schwacher und/oder intermittierender Sonneneinstromes durch Durchlassöffnungen in der Kollektorplatte Strahlung und bei relativ niedrigen Umgebungstemperaturen, selbst nach oben umgelenkt wird. Eine erhebliche Einsparung Dies bedeutet insgesamt die Annahme sehr harter Betriebs-an Glas oder sonstigem Material für die Deckscheiben wird 60 bedingungen.

erzielbar, wenn eine innere Platte verwendet wird, die nur Der Kollektor 10 weist eine quaderförmige Form auf und einen Teil der Fläche der Kollektorplatte überdeckt und die besitzt einen äusseren Rahmen 16 und im Innern zwei licht-sich zur Erzielung einer besseren Lichtdurchlässigkeit sowie durchlässige Deckscheiben 18, 19. Obwohl letztere insbeson-zur Unterdrückung von freier Konvektion und Wärmestau dere dann, wenn von ihnen eine hohe Stossfestigkeit und me-verdrehen lässt. Zur Unterdrückung einer freien Konvektion 55 chanische Stärke verlangt wird, aus einem geeigneten Kunstlassen sich auch noch andere Mittel verwenden. Weiter lassen Stoff wie beispielsweise einem Acrylat oder einem Polycar-sich Sonnenenergie-Konzentratoren verwenden, die mit Hohl- bonat bestehen können, wird als Material für diese Deckräumen in Kollektorplatten, mit Sonnenlicht sammelnden Lin- Scheiben 18 und 19 meist Glas verwendet, und sie sollen da-

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her im folgenden der Kürze halber auch einfach als Glasscheiben bezeichnet werden. Die Zweischeibenstruktur ist für einen Betrieb in kalter Umgebung im allgemeinen bevorzugt, und zur Verbesserung der Lichtdurchlässigkeit können nicht dargestellte Antireflexbeläge vorhanden sein. Die Abstände 5 zwischen den Glasscheiben 18 und 19 entsprechen der herkömmlichen Praxis, und sie liegen meist in einem Bereich zwischen 2 und 7 cm. Die oberste oder zweite Glasscheibe 19 ist rund um ihren Rand im Rahmen 16 fest eingepasst und abgedichtet, um einen Austritt von Luft aus dem Kollektor 10 10 zu verhindern.

Weiter enthält der Kollektor 10 als eigentlichen Empfänger für die einfallende Strahlung eine Kollektorplatte 20, die aus einer dünnen und im wesentlichen ebenen Platte aus einem Material wie Aluminium oder einem temperaturfesten 15 Kunststoff besteht und eine lichtabsorbierende, schwarze Oberseite aufweist. Die Dicke dieser Kollektorplatte 20 ist für den Betrieb von Bedeutung, und sie liegt im allgemeinen unter etwa 0,5 mm, wobei für eine Ausführung der Kollektorplatte 20 in Aluminium ein typischer Wert etwa 0,2 mm ist. 20 Auf diese Weise kommt es zu einer guten Wärmeübertragung zu einem zugeordneten Fluid, das entlang der Unterseite der Kollektorplatte 20 strömt, während der Wärmetransport im Material der Kollektorplatte 20 selbst entlang deren Länge in Richtung des Massenstromes relativ niedrig ist. Die Kollektor- 25 platte 20 ist also anisotrop ausgebildet und angeordnet. Werkstoffe, die als solche die Eigenschaft der anisotropen Wärmeleitung aufweisen, sind hier nicht sonderlich vorteilhaft, da dünne Metallbleche beispielsweise aus Aluminium mit niedrigen Kosten und ohne weiteres verfügbar sind. Auch ein ho- 30 hes Wärmeleitvermögen ist nicht erforderlich, da sich ein guter Wärmeaustausch mit der vorbeiströmenden Luftmasse sogar mit einem relativ schlechten Wärmeleiter, wie beispielsweise einem der für dünnwandige Wärmetauscher üblichen Kunststoffe, erhalten lässt. Angemerkt sei noch, dass die der 35 einfallenden Strahlung ausgesetzte Oberseite der Kollektorplatte 20 einen Überzug mit hoher Absorptionsfähigkeit und geringem Emissionsvermögen aufweisen kann, wofür geeignete Materialien heute ohne weiteres zur Verfügung stehen.

Die Kollektorplatte 20 weist Längsränder auf, die durch 40 nach oben abgewinkelte Flansche 22 und 23 begrenzt sind, von denen ein erster Flansch 22 mit einer luftdichten Abdichtung mit dem anschliessenden Rand der ihm nächsten Glasscheibe 18 verbunden ist. Der andere Flansch 23 endet in einer Lippe 25, die einen kleinen Abstand von dem ihr gegen-45 überstehenden Rand der ersten Glasscheibe 18 aufweist und so einen Spalt definiert, in den eine luftdurchlässiges Abstandsstück 27 eingesetzt ist, das ein faserförmiges poröses Filterelement enthält, das eine Einschnürung im Strömungsweg erzeugt. Beide Längsränder sowohl der Kollektorplatte 50 20 als auch der ersten Glasscheibe 18 finden in Kanälen 28 und 29 in den Seiten des Rahmens 16 Aufnahme, wobei rund um diese Längsränder strömende Luft von der Oberseite der ersten Glasscheibe 18 zur Unterseite der Kollektorplatte 20 strömen kann. 55

Die Kollektorplatte 20 enthält weiter eine Mehrzahl von Strömungskomponenten bildenden Strömungsöffnungen 30, die räumlich über einen Teil ihrer Oberfläche verteilt angeordnet sind. Diese Öffnungen 30 sind dabei relativ zur Strömungsrichtung der Luftmasse asymmetrisch verteilt, und sie 60 sind an den heisseren Abschnitten der Kollektorplattenoberfläche im Anschluss an die Auslassleitung 14 konzentriert. Mit Vorteil ist ein Teil der Auslassleitung 14 unmittelbar in Form eines Kanals 32 in einer isolierenden Rückwand 34 des Rahmens 16 ausgebildet, wobei dieser Kanal 32 bei dem dar- fi5 gestellten Beispiel im mittleren Bereich der Kollektorplatte 20 liegt und parallel zu deren Längsrändern verläuft. Die isolierende Rückwand 34 weist einen relativ kleinen Abstand von der Unterseite der Kollektorplatte 20 auf, und die Dicke t des auf diese Weise für die Strömung der Luftmasse entstehenden Zwischenraumes liegt in der Grössenordnung von 3 mm oder darunter (siehe weiter unten).

Die Einlassleitung 12 speist bei dem dargestellten Beispiel die eintretende Luft in den Raum zwischen der ersten Glasscheibe 18 und der zweiten Glasscheibe 19 ein. In der Aus-lassleitung 14 ist ein Temperaturfühler 36 für die austretende Luft angeordnet, der ein Signal an ein Servosystem 38 abgibt, das den Betrieb eines in seiner Drehzahl regelbaren Gleichstrommotors 40 steuert, der ein Gebläse 41 antreibt, das in einer Luftumwälzung 42 mit einem Luftfilter 44 liegt. Für das Servosystem 38 ist kein detailliertes Beispiel angegeben, da derartige Systeme mit unterschiedlich komplexem Aufbau in vielfacher Ausführung zur Verfügung stehen und über-dies, insbesondere bei im wesentlichen konstanten Betriebsbedingungen, auch ein Betrieb unter Handsteuerung möglich ist. Mit Vorteil wird jedoch ein Servosystem 38 dafür verwendet, die Strömungsgeschwindigkeit der Luftmasse so zu variieren, dass die Austrittstemperatur der heissen Luft auf einem bestimmten Wert oder innerhalb eines optimalen Bereiches gehalten wird. Bei einem reinen Umwälzsystem für die Luftströmung können keine Verunreinigungen von aussen eintreten, und es kann gegebenenfalls auf das Luftfilter 44 verzichtet werden. Zwar ist es wünschenswert, für eine angemessene Abdichtung zu sorgen, um Wärmeverluste zu begrenzen, jedoch ist es nicht notwendig, eine vollkommen geschlossene Anlage zu schaffen. Unter bestimmten Umständen und bei anderen Anlagen kann den Kollektoren 10 einfach . Aussenluft oder Raumluft mit der Temperatur der äusseren oder inneren Umgebung über ein Einlassventil 46 zugeführt werden, und bei einer solchen Betriebsweise erweist sich das Luftfilter 44 zur Ausfilterung von Verunreinigungen als besonders wertvoll und sollte dann in den Zug der Einlassleitung 12 eingefügt werden.

In Fig. 1 ist in die Luftumwälzleitung 42 ein Wärmetauscher 50 der Gegenstrombauart mit geringer thermischer Masse eingefügt, in dem ein Wärmeaustausch mit einer im < Gegenstrom fliessenden Flüssigkeit, meist Wasser, erfolgt, wie dies beispielsweise in der US-PS 3 882 934 beschrieben ist, die einen kompakten Wärmetauscher zum Gegenstand hat, der sich durch einen hohen Wärmeübergangsfluss, eine'niedrige thermische Masse und einen niedrigen Druckabfall aus-zeichnet. In der Luftumwälzleitung 42 geht heisse Luft in einer Richtung durch den Wärmetauscher 50 hindurch. Der Gegenstrom des Wassers in der anderen Richtung vollzieht ■' ' sich in einer Wasserumlaufleitung 52, die auch mit Wasser von Umgebungstemperatur gespeist werden kann. Für den Umlauf des Wassers in der Leitung 52 ist eine Wasserpumpe 54 vorgesehen, die von einem in seiner Drehzahl regelbaren Gleichstrommotor 56 angetrieben wird, der bei dem dargestellten Beispiel elektrisch mit dem Motor 40 für den Antrieb des Gebläses 41 verbunden ist, so dass sich der Umlauf des Wassers durch den Wärmetauscher 50 mit im wesentlichen gleichen Enthalpieflussgeschwindigkeiten cpm zwischen der Luft und dem Wasser vollzieht. Im Anschluss an den Wärmetauscher 50 ist mit der Leitung 52 ein Temperaturfühler 57 gekoppelt, der ein erstes Eingangssignal für einen Komparator 58 erzeugt.

In den Zug der Wasserumlaufleitung 52 ist eine Folge von vier thermisch isolierten Wasserspeichern 62, 63, 64 und 65 eingefügt, die so angeordnet sind, dass sich eine Abstufung von Temperaturpegeln ergibt, wobei der erste Wasserspeicher 62 das Wasser mit der höchsten Temperatur speichert, während die Wassertemperatur dann bis hin zum vierten Wasserspeicher 65 progressiv abnimmt, in dem das Wasser mit der . niedrigsten Temperatur gespeichert wird. Die Wasserspeicher 62 bis 65 sind über verengte Kanäle 67 in Reihe zueinander

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geschaltet, und vom ersten Wasserspeicher 62 geht eine Auslassleitung 69 ab, während an den vierten Wasserspeicher 65 eine Rückleitung angeschlossen ist,: die. zur Wasserpumpe 54 führt. Die Anzahl und die Grösse der vorgesehenen Wasserspeicher und die Anzahl der Temperaturstufen hängen natur- .5 gemäss von den durch den jeweiligen Anwendungsfall gegebenen Konstruktipnsbedingungen ab, sie stehen jedoch prin-zipiell mit der gewünschten Endtemperatur für das Wasser und mit dessen durchschnittlicher Strömungsgeschwindigkeit in Zusammenhang. Die Kanäle 67 und die Auslassleitung 69 10 sind im allgemeinen thermisch isoliert. Wärmefühler 70 mit entsprechenden, nicht dargestellten Wandlerelementen stehen in Wärmeaustausch mit dem Inhalt der Wasserspeicher 62 bis 65 und liefern weitere Eingangssignale für den Komparator 58.' 'i. . ■ .

In den Strömungsweg des aus dem Wärmetauscher 50 kommenden heissen Wassers ist ein Selektorventil 72 eingeschaltet, das dieses, Wasser über getrennte Leitungen 74, 75 und 76 sowie die entsprechenden Verbindungskanäle 67 je nach seiner Temperatur in den ersten, den zweiten o'dér den 20 dritten Wärmespeicher 62, 63 bzw. 64 einspeist. Bei dem dargestellten Beispiel enthalten das Selektorventil 72 und der Komparator 58 im wesentlichen eine Thermostatanordnung, in der das jeweils erreichte, höchste Temperaturniveau eine der Leitungen 74, 75, 76' auswählt, um das Wasser abzufüh- 25 ren. Der Komparator 58 vergleicht dazu die Temperatur des aufgeheizten Wassers mit den in den einzelnen Wasserspeichern 62 bis 64 herrschenden Temperaturpegeln und steuert dann das Selektorventil 72 entsprechénd. Für die Steuerung der Richtung des Wasserflusses in Abhängigkeit von der Temperatur steht eine Vielzahl von Analog- und Digitaltechniken zur Verfügung. Die Einspeisung des aufgeheizten Wassers in die einzelnen Wasserspeicher 62 bis 64 kann bei digitaler Datenverarbeitung in erheblich feiner abgestufter Weise gesteuert werden. Diese Techniken ermöglichen eine Bestim- 35 mung der jeweils optimalen Strömungswege sowohl unter vorübergehenden — beispielsweise bei Betriebsbeginn herrschenden — als auch unter stationären Betriebsbedingungen.

Die Wirkungsweise ist folgende:

Beim Betrieb der Sonnènenergie-Kollektoranlage der Fig. 40 1 wird zwischen der Einlassleitung 12 und der Auslassleitung 14 für jeden der Kollektoren 10 mit Hilfe des Gebläses 41 ein Druckunterschied erzeugt. Dadurch wird, wie Fig. 1 bis 3 zeigen, kalte Luft in den Raum zwischen den Glasscheiben 18 und 19 eingeführt, so dass sich ein gesamter Massenstrom 45 mit einem Eintrittsdruck po ergibt, der sich über den gesamten Innenraum zwischen den Glasscheiben 18 und 19 verteilt. An den Längsrändern der ersten Glasscheibe 18 strömt in den Kanälen 28 und 29 Luft um diese Längsränder herum und an dear-Flanschen 22 und 23 der- Kollektorplatte 20 ent- J0 lang bis zu deren Unterseite in Richtung auf den Kanal 32 in der isolierenden Hinterwand 34 zu. Dieser erste Strö-murigsweg führt einen ersten Teilstrom der Luft dicht an der Unterseite der. Kollektorplatte 20 vorbei und bringt ihn mit letzterer in. Wärmeaustausch, wogegen ein zweiter Teilstrom 55 dieses Fluids über die Oberseite der Kollektorplatte 20 führt und Strömungskomponenten bildet, die mindestens streckenweise gegen die Ebene der Kollektorplatte 20 geneigt verlaufen, die an einer oder mehreren Stellen durch die Kollektor-platte 20 hindurchtreten und die den ersten Teilstrom treffen, 60 um mit letzterem in Wärmetausch zu treten..

Eine gewisse Aufheizung der Luftmasse findet zwar schon in dem Raum zwischen der ersten Glasscheibe 18..und der zweiten Glasscheibe 19 statt, ihre wesentliche Aufheizung erfährt die Luftmasse aber erst dann, wenn sie sich unterhalb der Kollektorplatte 20 und in Wärmeaustausch damit bewegt. Bei; Erreichen des in Längsrichtung verlaufenden Kanals 32 tritt die aufgeheizte Luft dann in die Auslassleitung 14 ein

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und gelangt damit auf den Weg zum Wärmetauscher 50. Gleichzeitig bildet sich durch den Nebenstrom der Luft durch das luftdurchlässige Abstandsstück 27 entlang des einen Längsrandes der Kollektorplatte 20 der zweite Strömungsweg aus. Der zweite Teilstrom — mit einem Ruhedruck poo — erfährt auf diese Weise eine Einschränkung und bewegt sich in transversaler Richtung relativ zur Längsachse auf die Reihen von Öffnungen 30 auf jeder Seite des zentralen Bereichs der Kollektorplatte 20 zu. Unter der von den Öffnungen 30 ausgeübten Saugwirkung entwickeln sich im zweiten Teilstrom lokale Strömungskomponenten, die mindestens streckenweise unter einem Winkel zur Ebene der Kollektorplatte 20, nämlich unter einem sich der Normalen zu dieser Ebene nähernden Winkel gerichtet sind. Diese lokalisierten Strömungskomponenten gehen dann durch die Öffnungen 30 hindurch und vereinigen sich mit dem ersten Teilstrom auf der Unterseite der Kollektorplatte 20. Diese Dualanlage verhindert in wirksamer Weise die Entstehung jeglicher Zellbewegung in dem aufgeheizten Volumen oberhalb der Kollektorplatte 20. Dank der räumlichen Verteilung der Strömungskomponenten des zweiten Teilstroms können sich keine stabilisierten, toroid-förmigen Umlaufzellen der von Benard beschriebenen Art ausbilden. Damit werden aber die erheblichen Verluste, die sich aus der natürlichen Konvektion ergeben können, wirksam unterdrückt.

Es kommt zwar zu einem geringen Anstieg der Rückstrahlungsverluste, aber diese Verluste werden durch die anderen Vorteile der Anlage mehr als ausgeglichen. Der kontinuierliche zweite Teilstrom in den heisseren Regionen der Kollektorplatte 20 nächst dem Auslasskanal 32 führt Wärmeenergie ab, die zwischen der Kollektorplatte 20 und der ersten Glasscheibe 18 eingefangen werden könnte, jedoch verbleibt dieser Teilstrom auf im wesentlichen konstanter Temperatur, bis die Strömungskomponenten in Richtung auf die Ebene der Kollektorplatte 20 zu umbiegen und an deren Oberfläche aufgeheizt zu werden beginnen. In diesem Bereich erfolgt jedoch der Temperaturanstieg sehr rasch. Ein anderer wesentlicher Vorteil der Dualanlage liegt darin, dass diese entweder eine Verminderung der Anzahl der lichtdurchlässigen Deckscheiben oder eine wirksamere Ausnutzung vorhandener Deckscheiben ermöglicht. Die nachstehende Analyse soll ein besseres Verständnis der Art und Weise ermöglichen, in der das Prinzip des dualen Strömungsweges am wirkungsvollsten für den jeweiligen Anwendungsfall nutzbar gemacht werden kann. In Fig. 4 sind allgemeine Fluidtemperaturprofile mit der Lage X/L entlang der Absorptionsoberfläche der Kollektorplatte als Abszisse dargestellt, wobei die Lagen 0, 0 und 1, 0 dem Fluideinlass bzw. dem Fluidauslass entsprechen und der dimensionslose Parameter f den Anteil des zweiten Teilstroms am Gesamtstrom bezeichnet, wobei f = 0 den Verhältnissen ohne Strom und f = 1 einem zweiten Teilstrom von 100 % entspricht. Dabei wurden die Konvektions- und Strahlungsverluste und die Wärmeleitung längs der Absorptionsoberfläche vernachlässigt, und ausserdem wurde eine gleichförmige Verteilung des zweiten Teilstroms über eine grosse Anzahl von ähnlichen Öffnungen vorausgesetzt. Für f = 0 ist dann das Profil linear, da die Luft mit der Kollektorplatte in inniger Berührung steht und in dem engen Kanal unterhalb der Kollektorplatte eine laminare Strömung herrscht, so dass sich entlang der Kollektorplatte ein im wesentlichen linearer Temperaturgradient ausbildet. Entlang der Strömung der Luftmasse besteht ein entsprechender Temperaturgradient mit einer kleinen durchschnittlichen Temperaturdifferenz, die direkt proportional ist zu der durch die Dicke t des Zwischenraums zwischen der Kollektorplatte 20 und der Hinterwand 34 bestimmten Höhe des Kanals unterhalb der Kollektorplatte. Mit zunehmendem zweiten Teilstrom, also grösseren f-Werten, nehmen die Temperaturpro-

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file eine konvexe Form an (negativer Wert der zweiten Ableitung), wobei im mittleren Bereich entlang der Kollektorplatte höhere Fluidtemperaturen auftreten, obwohl für diesen verallgemeinerten Fall gleiche Fluidaustrittstemperaturen angenommen sind. Das Ausmass der Profilkrümmung ist ein 5 Mass für den Aufheizungseffekt im mittleren Bereich der Kollektorplatte, der seinerseits die Quelle für den oben erwähnten geringen Anstieg der Strahlungsverluste ist. Fig. 4 zeigt, dass zur Erzeugung eines angemessenen Effekts des zweiten Teilstroms auf der einen Seite bei Vermeidung einer u wesentlichen Überhitzung auf der anderen Seite f-Werte zwischen 0,25 und 0,75 gewählt werden sollten. Angemerkt sei noch, dass die in Fig. 4 mit f = 1,0 bezeichneten Bedingungen der bekannten Art von Solarenergiesammlern entsprechen, bei denen das Absorptionsmaterial durch eine ver- jj teilte strömungsdurchlässige Masse aus Stahlspänen oder Stahlwolle entsteht, und dass in diesem Falle, wie Fig. 4 deutlich zeigt, an der Absorptionsoberfläche Gebiete existieren, die eine übergrosse Temperatur aufweisen, die weit höher liegt als die Austrittstemperatur für das Fluid. ^

Weitere Betrachtung verdient auch die Auslegung des Musters für die Anordnung der Öffnungen für den Durchtritt des Nebenstroms in der Kollektorplatte. Für jeden gegebenen Anwendungsfall und insbesondere für Kollektoren hoher Leistung sollten die Perforationsverteilung, also die Löcher je 25 Flächeneinheit, die individuelle Lochgrösse (konstant oder variabel), die Geschwindigkeit der Fluidströmung, die Fluid-viskosität, die zu erzielende Temperatur und die Kanalgeometrie besonders betrachtet werden. Jedoch kann die Einfügung einer Strömungseinschnürung an irgendeiner Stelle in x den zweiten Teilstrom das kritische Verhalten der Zusammenhänge für die Öffnungen und gleichzeitig jegliche Tendenz zu deren Verstopfung durch feste Teilchen vermindern.

Für die Auswahl der Lochgrösse und der Anzahl der Löcher je Flächeneinheit für einen speziellen Wert des Para- 35 meters f sollten die folgenden Zusammenhänge beachtet werden. Für den Fall gleicher kreisförmiger Löcher mit einem Durchmesser d, einer gleichförmigen Verteilung von N Löchern je Flächeneinheit und einem dem Stagnationsdruck poo entsprechenden Eintrittsdruck po für das Fluid (die Luft) 40 oberhalb der Kollektoroberfläche gelten die Gleichungen 1 und 2:

ß s* [1—(1—f)W]—3 ß Û2 2,43CDt3m,/dn<L2N21u

(1)

(2),

wobei

ß ein dimensionsloser Parameter,

Cd ein dimensionsloser Koeffizient für Druckverluste, der von der durchschnittlichen Reynolds-Zahl Ren für den Fluidstrom durch die Löcher und von der durchschnittlichen Reynolds-Zahl Ret für den Fluidstrom in dem Kanal unterhalb der Kollektorplatte abhängt,

t die Höhe des Strömungskanals (ebene Strömung), L die Länge des Strömungskanals,

ma der Gesamtdurchsatz an Fluid pro Flächeneinheit der

Kollektorplatte,

ft die durchschnittliche Viskosität des Fluids,

N die Anzahl der Löcher je Flächeneinheit,

f ein variabler Parameter 0 < f < 1, und dn der Durchmesser der einzelnen kreisförmigen Löcher ist.

Für einen gegebenen f-Wert ergibt sich ß aus Gleichung (1) und der geeignete Zusammenhang zwischen dn, N, t, L, mo und /i aus Gleichung (2).

Berechnungsbeispiel:

f = 0,5 dn = 0,5 X 10-3m N = 2500/m2 L = 0,25 m Cd = 2,0 m# = 0,0050 kg/s fi — 2,08 X 10-s kg/ms

Anhand dieser Grössen ist dann die passende Kanalhöhe t zu bestimmen. Ergebnisse:

ß = 114,2 (Gleichung 1)

t = 1,3 X 10"3 m (Gleichung 2)

Die entsprechende viskose Druckverteilung längs des Strömungskanals folgt aus Gleichung 3:

,x* _ * (i—f)V3 m , X 1—(1—f)» „ L Po 4 1—(1—f)1'3 L (1—f)«3 )]

wobei

<P =

12 ^ mp U Q t3

(3),

(4),

X den Abstand vom Einlass und e die durchschnittliche Gas- anlage ein sehr rasches Ansprechen auf die Sonneneinstrah-, X lung mit einem gleichen Temperaturanstieg in einer Zeit der dichte bezeichnen. Durch Emsetzen von —= 1 kann die Grössenordnung einer Minute, also eine Verbesserung seiner gesamte Strömungskanal-Druckdifferenz berechnet werden. Zeitkonstante um mehr als eine Grössenordnung. Die Dicke t Ein eng verwandter Aspekt, insbesondere unter Bedingun-55 ^ auf der Unterseite der Kollektorplatte 20 dahinströmen-

gen mit schwacher Sonneneinstrahlung, betrifft die Zeitkon- Jîn. Luftschicht lasst sich sehr einfach ausdrücken, wennder stante für die Aufheizung der Dualanlage. Bei Verwendung Stromungskanal von etwa rechteckigem Querschnitt «t Der von Luft als fluider Wärmeträger und einer Breite des Strö- bevorzugte Grossenbereich für diese Dicke t hegt unter diesen mungskanals von 1 mm enthält der erste Strömungsweg etwa <n Bedangen zwischen 0,5 und 2,0 mm. Wenn der Strómungs-

lO-3 kg Luft je Quadratmeter Kollektoroberfläche. Die cha- 60 kanaf ^ die Fluidmasse jedoch kerne rechteckformige Geo-

rakteristische Anstiegszeit für die Luft allein durch die Son- metne aufwe.st, ist es zwecfanassiger von seinem hydrauk-

neneinstrahlung hegt in der Grössenordnung von 0,1 s/°K. schen D^hmesser Dn gemäss Gleichung 5 zu sprechen: Die sehr dünne absorbierende Kollektorplatte aus 0,2 mm starkem Aluminiumblech sorgt für eine sehr kleine Zeitkon- jj# _ 4 X Querschnittsfläche ^ stante des Temperaturanstiegs für eine gegebene Sonnenein- 65 Umfang ' Strahlung. Im Gegensatz zu einer solaren Wasserheizungsanlage, bei der etwa 20 Minuten nötig sind, um einen Tem- woraus sich für die Strömung in einem rechteckförmigen Ka« peraturanstieg von etwa 50° C zu erreichen, zeigt die Dual- nal mit Dn = 21 ersehen lässt, dass die bevorzugten Werte

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für Dn zwischen 1,0 und 4,0 mm liegen. Obwohl es auf der Hand liegt, dass sich spezielle Oberflächen oder Konfigurationen verwenden lassen, um ein verbessertes Wärmeübergangsverhalten zu bekommen, so ist doch deutlich, dass grössere Unterschiede in der Dicke t entlang des ersten Strö- 5 mungsweges im allgemeinen nicht nützlich sind.

Die ohnehin schon kleine Zeitkonstante der beschriebenen Dualanlage lässt sich durch einen Wärmeaustauscher 50 mit geringer thermischer Masse und hohem Wirkungsgrad noch weiter verbessern. Diese Speichereinrichtung mit mini- U maier Entropie ergibt jedoch unabhängig davon, ob für den jeweiligen Anwendungsfall ein rasches Ansprechen gewünscht wird oder nicht, noch einen weiteren Vorteil. Unter optimalen Bedingungen für die Sonneneinstrahlung erreicht die Austrittstemperatur des Wassers aus dem Wärmetauscher 15 50 ein Maximum, so dass das Selektorventil 72 so eingestellt wird, dass das heisse Wasser in den ersten Wasserspeicher 62 eingespeist wird, von dem aus es in nicht dargestellte, angeschlossene Verbraucher verteilt werden kann. Durch die Verwendung des Temperaturfühlers 36 und die Steuerung des 20 Luftdurchsatzes durch das Gebläse 41 kann die dem Wärmetauscher 50 mit der aufgeheizten Luft zugeführte Wärmeenergie auf ein Maximum gebracht werden, oder es könnte gewünschtenfalls der Temperaturpegel in gewissem Masse maximalisiert werden. Bei Anpassung des stationären Zu- 25 standes für den Enthalpiedurchsatz für das umgewälzte Wasser erhalten die Wasserspeicher 62 bis 65 eine optimale Ausgangsleistung zugeführt. Eine Verringerung der Wassertemperatur führt zu einer Umschaltung des Selektorventils 72 auf die Leitungen 75 bzw. 76', so dass das aufgeheizte Wasser 30 dem zweiten Wasserspeicher 63 bzw. dem dritten Wasserspeicher 64 zugeführt wird. Der vierte Wasserspeicher 65 dient als Puffer zwischen den aufgeheizten Fluiden und ihrer der Umgebungstemperatur entsprechenden Eintrittstemperatur, und die in ihrem Querschnitt eingeschnürten Kanäle 67 35 ermöglichen die Aufrechterhaltung der Innentemperaturen und Innendrucke in den einzelnen Wasserspeichern 62 bis 65 ohne wesentlichen Wärmeaustausch dazwischen. Da das in den Wärmetauscher 50 eintretende Wasser entweder aus diesem kältesten Bereich der Anlage oder aus auf Umgebungs- 40 temperate liegenden Quellen stammt, ist dieser Gegenstrom-austauscher mit grösster Wirksamkeit eingesetzt. Für die Temperatur der in der Luftumwälzleitung 42 eintretenden Luft kann die niedrigste aufrechtzuerhaltende Temperatur angenommen werden, was die Aufrechterhaltung des Tempe- 45 raturgradienten entlang jedes der Kollektoren 10 gestattet und den Wirkungsgrad verbessert. Der Ausdruck «niedrigste aufrechtzuerhaltende Temperatur» bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das System unter stationären Bedingungen unter Berücksichtigung der Verluste zur Annahme einer Ein- 5() trittstemperatur für die Luft tendiert, die so nahe an der Umgebungstemperatur liegt, wie die Bedingungen dies zulassen. Auf diese Weise wird der grösstmögliche Wirkungsgrad der gesamten Dualanlage erzielbar, im Gegensatz zu den bisher bekannten Anlagen, bei denen ein durch Sonneneinstrah- JS lung aufgeheiztes Fluid mit einem Fluid in Berührung kommen kann, das während des gesamten Wärmeaustauschs tatsächlich eine erheblich niedrigere Temperatur aufweist.

Eine verallgemeinerte und etwas idealisierte Wiedergabe der Temperatur- und Druckbedingungen in der Dualanlage 60 der Fig. 1 bis 3 zeigt Fig. 5. In Fig. 5 sind nur relative Grössen angegeben, und die gezeigten Bedingungen entsprechen einem gewählten Wert von etwa 0,30 für den Parameter f. In Fig. 5 variiert der Druck im ersten Strömungsweg entlang der Länge des Kollektors zwischen einem Einlassdruck p0 und gJ einem Auslassdruck pt. Der Stagnationsdruck poo in dem Gebiet oberhalb der Kollektorplatte wird durch die Einschnürung im zweiten Strömungsweg bestimmt und liegt irgendwo zwischen diesen beiden Druckwerten. Entlang der Länge der Kollektorplatte folgt die Oberflächentemperatur einem Temperaturgradienten mit nach oben konvexer Charakteristik, und die Kurve für die Lufttemperatur zeigt eine im wesentlichen gleiche Krümmung, und ist lediglich um eine im wesentlichen konstante Temperaturdifferenz verschoben. Die Temperatur im freien Strom des zweiten Teilstroms dagegen steigt entlang der wirksamen Länge des Wärmetauschers nur geringfügig an. Diese Feststellung muss jedoch durch den Hinweis ergänzt werden, dass die Temperatur des zweiten Teilstroms bei dessen Eintritt in den an die Oberfläche der Kollektorplatte anschliessenden Bereich, also beim Einströmen der Strömungskomponenten des zweiten Teilstroms in die Öffnungen in der Kollektorplatte, eine Erhöhung erfährt.

Für die praktische Ausbildung der Dualanlage gibt es viele Möglichkeiten (Fig. 6 bis 8), um spezielle strukturelle, wirtschaftliche und betriebsmässige Vorteile zu erzielen. Zusätzlich zu den Vorteilen niedriger Kosten und geringen Gewichts für eine dünne Kollektorplatte ist es auch ohne weiteres möglich, Lochmuster in einer Vielzahl von Konfigurationen vorzusehen und die beiden Strömungswege für die Luft mit einfachen Mechanismen zu steuern.

Eine besonders preisgünstige Ausbildung zeigt Fig. 6, wo eine Kollektorplatte 20a in einem äusseren Rahmen 16a angeordnet und ebenso wie eine einzige Glasdeckscheibe 19a mit ihren Längsrändern in diesen Rahmen 16a eingelassen ist. Eine isolierende Rückwand 34a für diesen Aufbau kann aus einem einzigen Element bestehen, das gewünschtenfalls aus einem Stück mit dem Rahmen 16a hergestellt ist, wobei die gesamte Einheit als ein einheitliches Stück aus einem starren Kunststoffschaum gefertigt werden kann. Als Einlasse für die Luft sind eine Gruppe von drei in Längsrichtungen verlaufenden Kanälen 77, 78 und 79 in der Hinterwand 34a vorgesehen, von denen zwei Kanäle 78 und 79 jeweils entlang der Längsränder der Kollektorplatte 20a verlaufen, während der mittlere Kanal 77 sich etwa entlang der zentralen Längsachse der Kollektoiplatte 20a erstreckt. Zwischen diesem mittleren Kanal 77 und jedem der beiden seitlichen Kanäle 78 und 79 ist jeweils ein ebenfalls in etwa in Längsrichtung verlaufender Kanal 80 bzw. 81 angeordnet, der als Auslass für heisse Luft dient. Auf der Oberfläche der Rückwand 34a können nicht dargestellte Vorsprünge aus isolierendem Material angeformt oder befestigt sein, um den gewünschten Abstand der Kollektorplatte 20a von der Rückwand 34a aufrechtzuerhalten. Eine entsprechende Funktion könnten auch Grübchen oder andere kleine Oberflächenvertiefungen in der Kollektorplatte 20a selbst übernehmen.

Zu dem Perforationsmuster in der Kollektorplatte 20a gehören zwei Reihen von Öffnungen 85 und 86 auf jeder Seite des zentralen Kanals 77, die als Steueröffnungen für den zweiten Teilstrom dienen. Diese Öffnungen 85 und 86 sind hinreichend gross bemessen, um einen räumlich verteilten Luftstrom aus dem mittleren Bereich der Kollektorplatte 20a nach beiden Seiten nach aussen zu den Auslässen für die heisse Luft auf beiden Seiten zu erzeugen. Auf beiden Seiten jedes der beiden Kanäle 80 und 81 sind Reihen von Öffnungen 30 für den zweiten Teilstrom vorgesehen, die wiederum in bezug auf die Länge der Kollektorplatte 20a asymmetrisch über deren Wärmeaustauschoberfläche verteilt sind, wobei sie auf den heisseren Abschnitt der Kollektorplatte 20a konzentriert sind.

In Fig. 6 erzeugt die Kollektorplatte 20a vier verschiedene erste Strömungswege und zwei Paare von zweiten Strömungswegen, die sich von den Einlässe für die kalte Luft bildenden Kanälen 77 bis 79 in transversaler Richtung zu den Auslässe für die heisse Luft bildenden Kanälen 80 und 81 erstrecken. Die grösseren Öffnungen 85 und 86 bestimmen durch die

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Auswahl ihrer Grösse, Anzahl und Anordnung sowohl den Stagnationsdruck poo oberhalb der Kollektorplatte 20a als auch den Anteil des zweiten Teilstromes bzw. den Parameter f. Wie Fig. 6 zeigt, verläuft der Strom vom zentralen Bereich der Kollektorplatte 20a durch die linke Reihe der Strömungs- 5 Steueröffnungen 85 quer über die nächstliegende Reihe von Öffnungen hinweg und teilweise durch diese Öffnungen hindurch, während der restliche zweite Teilstrom quer über den Bereich oberhalb des Kanals 80 und in die Reihe der Öffnungen 30 hinein verläuft. Die relative Flussverteilung durch die io beiden Reihen von Öffnungen 30 lässt sich durch kleine Änderungen in der Grösse oder der Verteilungsdichte dieser Öffnungen 30 erreichen. In analoger Weise besteht ein entsprechender zweiter Teilstrom auch auf der rechten Seite der Kollektorplatte 20a (Fig. 6). 15

Fig. 6 weist die Vorteile eines einfachen Aufbaus, einer guten Wirksamkeit und niedriger Herstellungskosten auf. Erwähnt sei noch, dass im Bereich der randseitigen Einlasskanäle 78 und 79 im Anschluss an die Längsränder der Kollektorplatte 20a keine Steueröffnungen für eine Steuerung 20 des zweiten Teilstroms vorgesehen sind, die einen Aufwärtsstrom von Luft in diesen Bereichen in den Raum oberhalb der Kollektorplatte 20a hinein gestatten würden. Derartige Stromsteueröffnungen würden nämlich dazu führen, dass oberhalb der Auslasskanäle 80 und 81 einander etwas gleiche 25 und entgegengerichtete Ströme aufeinanderträfen, so dass sich ein Bereich mit stehender Luft ergeben würde, der zur Ausbildung der Bedingungen für eine Zellbewegung und damit zu einer wesentlichen Erhöhung der Verluste durch freie Konvektion Anlass geben könnte. 30

In Fig. 7 kommt ein analoger asymmetrischer zweiter Teilstrom zum Einsatz in Kombination mit einer anderen Technik für die Einführung der kalten Eintrittsluft in den Bereich unterhalb einer Kollektorplatte 20b. Bei dieser Anordnung ist eine erste Glasdeckscheibe 18b nur oberhalb des 35 zentralen Bereichs der Kollektorplatte 20b angeordnet, wobei diese Glasdeckscheibe 18b auf in Längsrichtung verlaufenden Trägern 88 und 89 ruht, die auf der Oberseite der Kollektorplatte 20b angeordnet sind. Dabei enthält der eine Träger 89 über seine Länge verteilt relativ grosse Öffnungen 90, die als 40 Steueröffnungen für den zweiten Teilstrom dienen. Über eine Einlassleitung 12b gelangt kalte Luft in zu den Längsrändern der Kollektorplatte 20b transversaler Richtung in den Raum zwischen den einander gegenüberstehenden Oberflächen der Kollektorplatte 20b und der ersten Glasdeckscheibe 18b 45 einerseits und der Unterseite einer zweiten Glasdeckscheibe 19b andererseits. Verschiedene Muster von relativ gross bemessenen zur Stromumlenkung dienenden Löchern 91 und 92 entlang beider Längsränder der Kollektorplatte 20b ermöglichen die Ausbildung eines ersten Stromweges entlang 50 der Unterseite der Kollektorplatte 20b und transversal zu einem zentral angeordneten und als Auslass für die heisse Luft dienenden Kanal 32b. Der Durchsatz des zweiten Teilstroms und der Stagnationsdruck oberhalb des heissen Bereichs der Kollektorplatte 20b werden bestimmt durch die 55 Steueröffnungen 90 für die Steuerung des zweiten Teilstroms. Der zweite Teilstrom ändert seine Richtung und fliesst wie oben beschrieben durch die Öffnungen 30 in der Kollektorplatte 20b. In Fig. 7 sind ebenso wie in Fig. 1 bis 3 zwei Deckscheiben vorhanden, sie führt jedoch zu einer Erspar- 60 nis an Glas, indem die erste Deckscheibe 18b nur im Bereich der heissen Oberflächenteile der Kollektorplatte 20b angeordnet ist, und sie zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus, da die eingeführte Kaltluft das gesamte Volumen unterhalb der äusseren Deckscheibe 19b wirksam durchspült, gj wobei gleichzeitig ein sich konstant bewegender erster Teilstrom unter der inneren Deckscheibe 18b aufrechterhalten wird.

In Fig. 8 kommt die Technik von Fig. 7 in etwas anderer Weise zusammen mit einer anderen Strömungssteuerung zur Anwendung. Dabei sind längs beider Längsränder und im mittleren Bereich einer Kollektorplatte 20c Reihen von Löchern 91 zur Stromumlenkung vorgesehen, so dass der erste Teilstrom der Luftmasse jeweils in transversaler Richtung zu einem Paar von in Längsrichtung verlaufenden Kanälen 80 und 81 verläuft, die wie in Fig. 6 Auslässe für die heisse Luft bilden. Als innere Deckscheiben sind in Fig. 8 jedoch zwei gekippte Deckscheiben 18c vorgesehen, die an einem ihrer Längsränder unmittelbar mit der Oberseite der Kollektorplatte 20c verbunden sind, während sie an ihrem anderen Längsrande jeweils durch ein Winkelblech 93 in einem Abstand von der Kollektorplatte 20c gehalten werden. Zwischen den Winkelblechen 93 und den ihnen gegenüberstehenden Längsrändern der Glasdeckscheiben 18c sind jeweils luftdurchlässige Abstandsstücke 94 eingeschoben, die in gewünschter Weise eine Einschnürung des ersten Teilstroms und eine Druckminderung bewirken.

In Fig. 8 führt die Anordnung getrennter innerer Glasdeckscheiben 18c oberhalb der heissen Bereiche der Kollektorplatte 20c zur Ausbildung der beiden Strömungswege, und sie sorgt ausserdem für eine Unterdrückung der Verluste durch natürliche Konvektion. Zusätzlich können die Winkel der inneren Deckscheiben 18c den Wirkungsgrad noch weiter steigern, indem grössere Kippwinkel eine grössere Lichtdurchlässigkeit bewirken.

In Fig. 9 ist ein anderes Speichersystem mit minimaler Entropie dargestellt. Der Gegenstromwärmetauscher 50 der Fig. 1 ist in Fig. 9 durch eine Serienschaltung aus drei Wärmetauschern 50a, 50b und 50c ersetzt, von denen jeder mit einem anderen von drei verschiedenen Wasserspeichern 96a, 96b bzw. 96c in Verbindung steht. Letztere sind wie in Fig. 1 durch eingeschnürte Leitungen miteinander verbunden, jedoch liegt jeder dieser Wasserspeicher 96a, 96b und 96c ausserdem in einer eigenen und getrennten Umwälzschleife für das Wasser mit einer eigenen Wasserpumpe 54a, 54b bzw. 54c, der jeweils von dem zugehörigen Wärmetauscher 50a, 50b bzw. 50c ausgeht. Wie in Fig. 9 für den Wasserspeicher 96a mit der höchsten Wassertemperatur gezeigt ist, sind die Wasserspeicher 96a, 96b und 96c durch Einbauten aus thermisch isolierendem Material in getrennte Abteile unterteilt, so dass sich in jedem einzelnen Umlaufkreis für das Wasser abgestufte Temperaturpegel aufrechterhalten lassen. Die Wasserpumpen 54a bis 54c werden jeweils einzeln durch eine Steuerung 95 betrieben, die entweder drei individuell betätigbare Antriebsmotore oder einen einzigen Antriebsmotor mit getrennt betätigbaren Kupplungen enthalten kann. Wie in Fig. 1 können Temperaturfühler und Steuerschaltungen 59 vorgesen sein, die einen Vergleich zwischen der Temperatur der aufgeheizten Luft einerseits und der Temperatur in den verschiedenen Wasserspeichern 96a, 96b und 96c andererseits durchführen und Steuersignale für den Betrieb der Pumpen 54a bis 54c erzeugen, anhand deren jeweils derjenige der Wärmetauscher 50a, 50b oder 50c ausgewählt wird, mit dem ein Wärmeaustausch stattfinden soll.

Beim Betrieb der Sonnenenergie-Kollektoranlage der Fig. 9 wird daher dann, wenn auf den Kollektor 10 eine starke Sonnenstrahlung einwirkt und darin eine hohe Ausgangstemperatur bei gutem Luftdurchsatz erzielt wird, die aufgeheizte Luft zunächst dem Wärmetauscher 50a für den Wasserspeicher 96a mit dem höchsten Temperaturpegel zugeführt und dann der Reihe nach durch die anschliessenden Wärmetauscher 50a und 50c geleitet, so dass diese Luft über die Luftumwälzleitung 42 mit dem Gebläse 41 mit der niedrigsten aufrechtzuerhaltenden Temperatur zum Einlass des Kollektors 10 zurück gelangt. Bei diesem Durchgang der Luft durch die Anlage kommt es in jeder Stufe zu einer irrever

li

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siblen Wärmeübertragung, und dank der zusätzlichen Anwendung des Gegenstromprinzips ergibt sich ein System mit minimaler Entropie. Wenn die Sonneneinstrahlung am Kollektor 10 nicht ausreicht, um darin einen für den ersten Wasserspeicher 96a ausreichend hohen Temperaturpegel zu er- 5 zeugen; wird die erste Wasserpumpe 54a nicht in Betrieb genommen, so dass die aufgeheizte Luft den ersten Wärmetauscher 50a einfach und ohne nennenswerten Wärmeverlust durchströmt und ohne wesentliche Abkühlung in den anschliessenden Wärmetauscher 50b gelangt. In Fig. 9 ist die 10 Verwendung getrennter Wärmetauscher und gegebenenfalls auch getrennter Wasserpumpen vorgesehen, wobei jedoch zu bemerken ist, dass sich diese Einrichtung ohne weiteres einer vorhandenen Anlage anpassen lässt. Beispielsweise kann als Wasserspeicher 96c mit der niedrigsten Temperatur ein 15 Schwimmbad oder sonst ein Wärmespeicher vorgesehen sein, der nur einen relativ geringen Temperaturunterschied gegenüber der Umgebungstemperatur verlangt und bereits eine eigene Pumpe besitzt.

Fig. 10 bis 13 deuten an, dass es für die Dualanlage zahl- 20 reiche Anwendungsgebiete gibt. Wo, wie beispielsweise in einer Wüste, im allgemeinen Sonnenstrahlung von hoher Intensität vorhanden ist, können die Verluste durch natürliche Konvektion untragbar hoch werden, und Bienenwabenstrukturen können sich als nicht voll wirksam erweisen. ^

Für solche Fälle kann, wie Fig. 10 zeigt, eine auf einer Kollektorplatte 20d angeordnete Bienenwabenstruktur 97 in Verbindung mit Öffnungen 30 für die Erzeugung eines ersten Teilstromes in Anwendung kommen. Die Bienenwabenstruktur 97 ist für die einfallende Strahlung im wesentlichen 3Q durchlässig, und sie besteht aus einem Material mit nur geringem Wärmeleitvermögen. Bei Anordnung der Öffnungen 30 innerhalb der von den einzelnen Zellen der Bienenwabenstruktur 97 begrenzten Bereiche der Kollektorplatte 20d mit der in Fig. 10 gezeigten Verteilung bewirken die transversal 3J zur Ebene der Kollektorplatte 20d gerichteten Strömungskomponenten in Zusammenwirken mit den einzelnen Waben eine Unterdrückung der Verluste durch natürliche Konvektion und jeglicher Tendenz zur Ausbildung begrenzter Zellenströme. 40

Vielfach besteht bei Sonnenenergie-Kollektoranlagen der Wunsch, irgendeine Art von Strahlungskonzentration zu verwenden, um einen höheren Temperaturpegel für die aufgeheizte Luft zu erhalten. Eine derartige Konzentration der einfallenden Strahlung geht jedoch unvermeidlich Hand in Hand 4J mit der Tendenz der betroffenen Systeme zu gesteigerten Verlusten durch Rückstrahlung und natürliche Konvektion. Gerade für solche Fälle ist die Dualanlage von besonderem Vorteil (Fig. 11). Dabei fliesst entlang der Unterseite einer Kollektorplatte 20e, die mit kleinem Abstand oberhalb einer Hin-terwand 34 aus isolierendem Material angeordnet ist, ein erster Teilstrom zu einem Auslasskanal 32e für erhitzte Luft. Unterhalb einer Deckscheibe 18e und oberhalb der Oberseite der Kollektorplatte 20e ist ein Strahlungskonzentrator angeordnet, der eine Matrix 98 aus isolierendem Material mit einer Anordnung von konkaven Reflektoren 99 aufweist, die im allgemeinen parabolisch gekrümmt sind und auf ihrer Innenseite reflektierende Überzüge tragen. Diese konkaven Reflektoren 99 konzentrieren die einfallende Strahlungsenergie jeweils auf einen kleinen Bezirk 100 an ihrem Grunde. Im Bereich dieser Bezirke 100 ist die Kollektorplatte 20e 60 auf ihrer Oberseite vorzugsweise mit einem Überzug von hohem Absorptionsvermögen und geringem Emissionsvermögen versehen, um die Rückstrahlungsverluste zu begrenzen.

Zusätzlich ist in den Bezirken 100 in der Kollektorplatte fi5 20e jeweils mindestens eine Öffnung 30 vorgesehen, so dass im Inneren jedes der konkaven Reflektoren 99 ein steter-Strom mit hineingezogenen Strömungskomponenten entsteht.

Bei der höheren Oberflächentemperatur in den absorbierenden Bezirken 100 trägt die Aufheizung der Strömungskomponenten im ersten Teilstrom in höherem Masse zu der im Ausgangsstrom entstehenden Wärmeenergie bei, jedoch ist eine solche Dualanlage besonders geeignet, um den Zuwachs in der Luftaufheizung zu vergrössern.

Die Dualanlage kann selbstverständlich auch mit anderen Konzentratorausführungen, wie beispielsweise einer einfachen Anordnung von V-förmigen Nuten mit in Ost-West-Richtung verlaufender Längsachse, realisiert werden. Auch bei einer Ausbildung der Deckscheiben mit einer Vielzahl von linsenförmigen Strahlungskonzentratoren ist die Dualanlage vorteilhaft. Es ist klar, dass die Anwendung dieser Techniken im allgemeinen eine Berücksichtigung des Einfallswinkels für die Strahlung verlangt, und dass bei hohen Konzentrationsraten Kollektorstrukturen erforderlich sein können, die so montiert sind, dass sie sich nach einer Nachführmethode betreiben lassen.

Vorstehend ist stets Luft als primär aufgeheiztes Fluid genannt worden, jedoch lässt sich die Dualanlage auch für die Wasserheizung anwenden (Fig. 12). In Fig. 12 steht in einem Kollektor 10a eine relativ dicke Kollektorplatte 103 in Wärmeaustausch mit in Rohrleitungen 102 strömendem Wasser, wie dies für solare Wasserheizungssysteme üblich ist. Die Rohrleitungen 102 sind dabei nicht in eine der Kollektorplatte 103 gegenüberstehende Rückwand 34 aus Isoliermaterial eingebettet, sondern sie weisen einen hinreichenden Abstand davon auf, so dass unterhalb der Kollektorplatte 103 ein erster Strömungsweg für die Luft besteht. Durch in der Kollektorplatte 103 zumindest in dem Raum zwischen den Rohrleitungen 102 angeordnete Öffnungen 30 hindurch fliesst oberhalb der Kollektorplatte 103 der zweite Teilstrom, der eine freie Konvektion oberhalb der Kollektorplatte 103 unterdrückt. Dieses System zeigt ein hohes Leistungsvermögen, da die aufgeheizte Luft ihrerseits dazu verwendet werden kann, das kalte Wasser in einer getrennten Schleife aufzuheizen, in der die Luftströmung durch ein Gebläse 104 gesteuert wird. Zu diesem Zwecke wird der Hauptluftstrom am heissen ausgangsseitigen Ende des Kollektors 10a über einen Gegenstromwärmetauscher 105 zurückgeführt, der weiterhin eine Zweigleitung für kaltes Wasser enthält, das darin im Gegenstrom fliesst. Das in diesem Wärmetauscher 105 aufgeheizte Wasser wird mit dem in den Rohrleitungen 102 aufgeheizten Wasser kombiniert und trägt somit zur Ausgangsleistung der Anlage bei. Diese Anlage bietet die Vorteile der Dualanlage in Verbindung entweder mit einer reinen Wasserheizungseinrichtung oder auch in Kombination mit einer zusätzlichen Luftheizung.

Weiter ist eine Sonnenenergie-Kollektoranlage bekannt, bei der oberhalb der Oberfläche einer Kollektorplatte Glasrohre angeordnet sind, die zwar einen Durchgang von einfallender Sonnenstrahlung gestatten, aber einen Austritt von Infrarotstrahlung aus dem System verhindern. Derartige Rohre sind sowohl in Verbindung mit flachen Kollektoranlagen als auch mit konkaven Lichtkonzentratoren verwendet worden. In Fig. 13 ist eine Reihe von mit gegenseitigem Abstand angeordneten durchsichtigen Rohren 108 oberhalb der heisseren Bereiche einer Kollektorplatte 20g angeordnet, die im gleichen Bereich Öffnungen 30 für den zweiten Teilstrom enthält. Die Rohre 108 sind typischerweise durchsichtige fluoreszierende Glasrohre, die z. B. einen Aussendurch-messer von etwa 40 mm und eine Wandstärke von 1 mm aufweisen (etwa V3 der Dicke von einschichtigen Glastafeln). Mit Rücksicht auf die Massenherstellung derartiger Glasrohre in der Beleuchtungsindustrie kommen derartige Rohre in ihrer Herstellung billig, und sie weisen dennoch eine erhebliche mechanische Festigkeit auf. Die Glasrohre 108 können endseitig offen und mit Luft gefüllt, sie können aber auch

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12

evakuiert werden, oder es kann darin mit Hilfe eines Gebläses eine axiale Luftströmung erzeugt werden, wenn bei vorgegebenen Betriebsbedingungen in nennenswertem Umfange freie interne Konvektionsströme auftreten sollten.

Die Glasrohre 108 oberhalb der heissen Bereiche der Kollektorplatte 20g gestatten einen Durchgang von 75 bis 85 %

der einfallenden Sonnenstrahlen, sie werden jedoch sowohl durch die einfallende Sonnenstrahlung alsauch durch die rückgestrahlte Infrarotenergie aufgeheizt. Bei der Dualanlage führt jedoch der zweite Teilstrom diese Wärmeenergie kon-5 tinuierlich ab und unterdrückt gleichzeitig Verluste durch freie Konvektion an der Oberfläche der Kollektorplatte 20g.

5 Blatt Zeichnungen

Claims (19)

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   2

   PATENTANSPRÜCHE 12. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   1. Sonnenenergie-Kollektoranlage für fluide Wärmeträger, dass eine Anordnung von rohrförmigen lichtdurchlässigen die mindestens einen Kollektor (10, 10a) aufweist, der min- Mitteln (108) vorhanden ist, die nahe an der Oberseite der destens eine lichtdurchlässige Deckwand (19) hat, um War- Kollektorplatte (20g) angeordnet sind, um Verluste durch meverluste von einer unteren Kollektorplatte (20, 20a, 20b, 5 freie Konvektion an der Oberfläche der Kollektorplatte (20g) 20c, 20d, 20e) zu begrenzen, die eine Strahlungsenergie ab- zu unterdrücken (Fig. 13).

   sorbierende Oberseite hat, dadurch gekennzeichnet, dass der 13- Anlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ange-

   KoIIektor (10, 10a) zwei Fluidströmungswege aufweist, von koppelte Mittel (41), um die Teilströme abzusaugen (Fig. 1 denen der erste einen ersten Teilstrom eines Fluids dicht an und 9).

   der Unterseite der Kollektorplatte (20, 20a, 20b, 20c, 20d, 1° 14. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, 20e) vorbeiführt und mit letzterer in Wärmeaustausch bringt dass die Strömungsöffnungen (30) im wesentlichen in den und von denen der zweite einen zweiten Teilstrom dieses wärmsten Bereichen der Kollektorplatte (20, 20a, 20b, 20c, Fluids über die Oberseite der Kollektorplatte (20, 20a, 20b, 20d, 20e) konzentriert sind.

   20c, 2Od, 20e) führt und Strömungskomponenten bildet, die 15. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

   mindestens streckenweise gegen die Ebene der Kollektor- 15 dass der zweite Strömungsweg den zweiten Teilstrom längs platte (20, 20a, 20b, 20c, 20d, 20e) geneigt verlaufen, die an eines Teils der Oberseite der Kollektorplatte (20) führt, bevor einer oder mehreren Stellen durch die Kollektorplatte (20, die Strömungskomponenten gebildet werden, die durch die 20a, 20b, 20c, 20d, 20e) hindurchtreten und die den ersten Strömungsöffnungen (30) hindurchtreten, um den ersten Teil-Teilstrom treffen, um mit letzterem in Wärmeaustausch zu ström zu treffen, und dass Mittel vorgesehen sind, um das treten. 20 erhitzte Fluid durch Gegenstromaustauschmittel (50) im Ge-
2. 2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass genstrom zu nichterwärmter Flüssigkeit hindurchzulenken die Kollektorplatte (20, 20a, 20b, 20c, 20d, 20e) räumlich (Fig. 1).

   verteilte Strömungsöffnungen (30) für die Strömungskompo- 16- Anlage nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet,

   nenten aufweist, die durch die Kollektorplatte (20, 20a, 20b, dass die Kollektorplatte eine dünne wärmeleitende Folie auf-20c, 20d, 20e) hindurchtreten. 25 we'st-
3. 3. Anlage nach Anspruch 2, bei der das Fluid Luft ist, 17. Anlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Einlass (12) (41, 42) zur Umwälzung des Fluids, wobei ein Wärmetau-und mindestens ein Auslass (14) für die Luft vorhanden ist, scher (50) im Kreislauf des Fluids eingeschaltet ist (Fig. 1). dass an den Einlass (12) und an den Auslass (14) Mittel (14) 18. Anlage nach Ansprach 3, dadurch gekennzeichnet, angeschlossen sind, um zwischen beiden eine Druckdifferenz 30 dass der Einlass (12) so angeordnet ist, dass die Luft über zu erzeugen, und dass Mittel (27) im zweiten Strömungsweg die Oberseite einer lichtdurchlässigen Platte (18) strömt, wo-angeordnet sind, um die Menge des zweiten Teilstroms zu bei die Kollektorplatte (20) in bezug auf einen Rahmen (16) begrenzen (Fig. 3). so befestigt ist, dass der erste Teilstrom rund um deren Längs-
4. 4. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ränder unter die Kollektorplatte (20) strömt und wobei der der Querschnitt der Strömungsöffnungen (30) so bemessen 35 Auslass (14) in der Mitte der Kollektorplatte (20) so ange-ist, dass letztere 25 bis 75 ®/o des Gesamtstroms durchlassen. ordnet ist, dass die Luft unter der Kollektorplatte (20) quer
5. 5. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu den beiden Längsrändern zum Auslass (14) strömt (Fig. 1). die Strömungsöffnungen (30) asymmetrisch über die Fläche 19. Anlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, der Kollektorplatte verteilt sind. dass der Lufteinlass (12) zwischen der Deckwand (19) und
6. 6. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass^ der lichtdurchlässigen Platte (18) angeordnet ist, um zwischen die Fluidströmungswege durch ebene Isolatormittel (16) be- Deckwand und Platte Einlassluft zu injizieren, wobei die Kolgrenzt sind, die sich im wesentlichen ebensoweit erstrecken lektorplatte (20) mit der lichtdurchlässigen Platte (18) längs wie die Unterseite der Kollektorplatte (20) und im Abstand des einen Längsrands (28) verbunden ist, dass in einem sich von dieser Unterseite angeordnet sind (Fig. 1 bis 3). längs des anderen Längsrands (25) zwischen der Kollektor-
7. 7. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass45 platte (20) und der lichtdurchlässigen Platte (18) erstrecken-die Kollektorplatte Mittel (102) aufweist, um eine Flüssigkeit den Durchtritt für den zweiten Teilstrom die Strömungs-

   in denselben strömen zu lassen und mit dem Fluid in Wärme- begrenzungsmittel (27) angeordnet sind (Fig. 1).

   austausch zu bringen (Fig. 12). ^ 20. Anlage nach Ansprach 19, dadurch gekennzeichnet,
8. 8. Anlage nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Strömungsöffnungen (30) in Mustern beidseitig des auf der Oberseite der Kollektorplatte (20d) offene, licht- sg Auslasses (14) angeordnet sind und zu letzterem näher als zu durchlässige Zellen (97) angeordnet sind und dass die Kol- den Längsrändern der Kollektorplatte (20) liegen, um den lektorplatte innerhalb jeder Zelle mindestens eine Strömungs- zweiten Teilstrom vom anderen Längsrande (25) über die Öffnung (30) aufweist, so dass mindestens eine Strömungs- Kollektorplatte (20) zu lenken und seine geneigten Kompo-komponente durch die Kollektorplatte (20d) innerhalb jeder nenten sowohl durch die dem Auslass nahen als auch die dem Zelle (97) hindurchtritt (Fig. 10). 55 Auslass fernen Strömungsöffnungen (30) hindurchtreten zu
9. 9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass lassen (Fig. 1).

   die Zellen (97) wabenförmig angeordnet sind (Fig. 10). 21. Anlage nach Ansprach 3, dadurch gekennzeichnet,
10. 10. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Längsrichtung verlaufende und im Abstand vonein-dass oberhalb der Kollektorplatte (20e) Mittel (99) angeord- ander angeordnete Lufteinlassmittel (76 bis 78) und Luftausnet sind, um einfallende Sonnenstrahlen auf Bereiche der 60 lassmittel (80, 81) unterhalb der Kollektorplatte (20a) ange-Kollektorplatte (20e) zu konzentrieren, und dass ferner in der ordnet sind und dass Mittel, wie Durchlassöffnungen (85) in Kollektorplatte (20e) Strömungsöffnungen (30) vorhanden der Kollektorplatte (20) vorhanden sind, um den zweiten Teilsind, um die Komponenten quer in den ersten Teilstrom zu ström oberhalb mindestens eines Abschnitts der Kollektorlenken (Fig. 11). platte (20a) zu erzeugen (Fig. 6).
11. 11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, fi5 22. Anlage nach Ansprach 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Konzentrieren der Strahlung Isolator- dass die Mittel zur Erzeugung des zweiten Teilstroms zusätz-mittel (98) aufweisen, welche eine Anordnung von reflektie- liehe Durchlassöffnungen (85, 86) in der Kollektorplatte (20a) renden konkaven Wänden (99) begrenzen (Fig. 11). aufweisen, die einen kleineren Strömungswiderstand haben als

    3

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    die Strömungsöffnungen (30) für die Strömungskomponenten derart, dass der zweite Teilstrom vom Einlass (12) nach oben durch die zusätzlichen Durchlassöffnungen (85, 86) bis in den Bereich verläuft, der oberhalb der Kollektorplatte (20a) liegt, und dann zurück nach unten durch die Strömungsöffnungen 5 (30) zur Unterseite der Kollektorplatte (20a) fällt (Fig. 6).
12. 23. Anlage nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch längliche Lufteinlassleitungen (76 bis 78) längs der Längsränder und im Mittelbereich der Kollektorplatte (20a), sowie durch zwei längliche Luftauslassleitungen (80, 81), die je zwischen 10 der mittleren Lufteinlassleitung (77) und der nächst benachbarten Lufteinlassleitung (76, 78) angeordnet sind, wobei die zusätzlichen Durchlassöffnungen (85, 86) auf jeder Seite der mittleren Lufteinlassleitung (77) Muster bilden und wobei die Strömungsöffnungen (30) auf jeder Seite jeder Luftauslass- 15 leitung (80, 81) Sätze von Öffnungen bilden und näher zur zugeordneten Luftauslassleitung (80, 81) als zur nächstbenachbarten Lufteinlassleitung (76 bis 78 liegen (Fig. 6).
13. 24. Anlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,

    dass die lichtdurchlässige Platte (18b) sich nur über einen 20 inneren Mittelbereich der Kollektorplatte (20b) erstreckt, wobei die lichtdurchlässige Deckwand (19b) sich annähernd über die ganze Kollektorplatte (20b) erstreckt, wobei die Strömungsöffnungen (30) unterhalb der lichtdurchlässigen Platte (18b) angeordnet sind und wobei zusätzlich periphere 25 Stützmittel (88) angeordnet sind, welche die lichtdurchlässige Platte (18b) mit der Kollektorplatte (20b) verbinden und an mindestens einer Seite Öffnungen (89) aufweisen, um den zweiten Teilstrom zwischen der Unterseite der lichtdurchlässigen Platte (18b) und der Oberseite der Kollektorplatte (20b)30 zu erzeugen (Fig. 7).
14. 25. Anlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,

    dass mindestens eine lichtdurchlässige Platte (18c) in bezug auf die Ebene der Kollektorplatte (20c) geneigt ist (Fig. 8).
15. 26. Anlage nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch zwei in Längsrichtung angeordnete Auslässe (80, 81), die der Unterseite der Kollektorplatte (20c) benachbart sind, wobei die Strömungsöffnungen (30) in der Kollektorplatte (20c) in zwei Gruppen im Bereich der Auslässe (80, 81) angeordnet sind 40 und durch geneigte lichtdurchlässige Platten (18c), die sich praktisch gleich weit wie die Bereiche der Gruppen der Strömungsöffnungen (30) erstrecken, damit sowohl der zweite Teilstrom als auch stillstehende Luft zwischen jeder geneigten Platte (18c) und der Kollektorplatte (20c) der freien Kon-4J vektion im Raum zwischen der Oberseite der Kollektorplatte (20c) und der geneigten Platte (18c) entgegenwirken (Fig. 8).
16. 27. Anlage nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch

    — mindestens einen Gegenstromwärmetauscher (50), der strömungsmässig zwischen dem Auslass (14) und dem so Einlass (12) angeordnet ist, um einen Wärmeaustausch zwischen einem erstgenannten Fluid in mindestens einem ersten Anlageteil und einem zweiten Fluid in mindestens einem zweiten Anlageteil zu bewirken, welcher Wärmetauscher (50) so angeschlossen ist, dass das erste Fluid 55 zum Kollektor (10) zurückfliesst,

    — Mittel zum Zuführen des zweiten Fluids zum Gegenstromwärmetauscher (50),

    — mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeicher (62 bis 64), um das zweite Fluid bei mindestens zwei ver- 60 schiedenen Temperaturen zu speichern,

    — Verteilermittel (72), um das zweite Fluid aus dem Wärmetauscher (50) zu einer der Verzweigungsstellen zwischen den Energiespeichern (62 bis 64) zu lenken, und

    — Steuermittel (58), die die Verteilermittel (72) so steuern, 6S dass sie das zweite Fluid in Abhängigkeit von der Temperatur des ersten Fluids zu einer der Verzweigungsstellen leiten (Fig. 1).
17. 28. Anlage nach Anspruch 27, wobei das zweite Fluid Wasser ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Verteilermittel (72) so in einer Umwälzschleife (52) eingebaut ist, dass es das Wasser vom kältesten Energiespeicher (65) so aufnimmt, dass das erste Fluid abgekühlt wird, bevor es in den Kollektor (10) geführt wird, wobei die Steuermittel (58) auf die Temperaturen der Energiespeicher (62 bis 64) ansprechen (Fig. 1).
18. 29. Anlage nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziger Wärmetauscher (50) vorhanden ist, der zwischen dem Energiespeicher (65) mit der tiefsten Temperatur und den Verteilermitteln (72) geschaltet ist, wobei die Energiespeicher (62 bis 65) isolierte Kammern sind, die untereinander durch isolierte, den Durchfluss begrenzenden Leitungselementen (67) verbunden sind, wobei die Mittel (40, 41) zur Zuführung des ersten Fluids auf dessen Temperatur ansprechen und wobei die Mittel (54) zur Zuführung des Wassers auf die Geschwindigkeit des ersten Fluids ansprechen.
19. 30. Anlage nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicher (96a bis 96c) in Reihe miteinander verbunden sind, um das zweite Fluid bei verschiedenen Temperaturen zu speichern, wobei der Gegenstromwärmetauscher (50a bis 50c) mindestens zwei in Reihe geschaltete Sektionen aufweist, von denen jede mit einem anderen Energiespeicher (96a bis 96c) gekoppelt ist, dass jeder Energiespeicher (96a bis 96c) mit der ihm zugeordneten Wärmetauschersektion und einer Pumpe (54a, 54b, 54c) in einer separaten Umwälzschleife angeordnet ist, und dass Mittel (59) vorhanden sind, die auf die Temperatur des erhitzten ersten Fluids ansprechen, um die Pumpen (54a bis 54c) so zu steuern, dass sie den Wärmeaustausch in Abhängigkeit der Temperatur des zugeordneten Energiespeichers (96a bis 96c) auslösen (Fig. 9).