DE2651738A1 - Sonnenkollektor in bausteinform - Google Patents

Description

• Sonnenkollektor in Bausteinform
• Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor in Baueteinform, bestehend aus einem rechteckigen, allseitig geschlossenen Gehäuse sowie einem in diesem Gehäuse im Bereich der einfallenden Wärmestrahlung angeordneten und von einem flüssigen Wärmeträger durchströmten Absorber.
• Sonnenkollektoren dieser Art sind bekannt und bestehen im allgemeinen aus einem isolierten, relativ flachen Gehäuse, in dem gewöhnlich geschwärzte Rohrschlangen zur Führung des Wärmeträgers angeordnet sind. Nachteilig bei diesen bekannten Sonnenkollektoren ist vor allem, daß sie nur während einer vergleichsweise kurzen Zeitspanne des Tages, d.h.
• im allgemeinen während des Sonnenhöchststandes, die angestrebte Temperaturerhöhung des Wärmeträgers gewährleisten können und daß die maximal erreichbaren Temperaturen, auf die der Wärmeträger erhitzt werden kann, relativ niedrig liegen und kaum 700 übersteigen können. Dies hat einerseits zur Folge, daß aufgrund der unterschiedlichen Einstrahlbedingungen im Verlaufe eines Tages an sich vorhandene Wärmestrahlungsenergie nicht genutzt werden kann, da ein Nachstellen der Kollektoren entsprechend dem jeweiligen Sonnenstand unwirtschaftlich wäre, und macht es andererseits erforderlich, daß im Falle der Verwendung derartiger Sonnenkollektoren im Zusammenhang mit Warmwasserheizungen relativ große Speicherbehälter benötigt werden, um bei den sich ergebenden relativ niedrigen Temperaturen eine ausreichende Wärmemenge speichern zu können.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sonnenkollektor der eingangs definierten Gattung so auszugestalten, daß er unter gleichzeitiger Gewährleistung einer einfachen Herstellung bei stationärem Einbau eine wesentlich bessere Ausnützung des sich im Verlauf eines Tages ergebenden Dargebots an Sonnenwärmeenergie ermöglicht und gleichzeitig eine optimale Anhebung der Temperatur des Wärmeträgers im Absorber sicherstellt.
• Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die der einfallenden Wärmestrahlung ausgesetzte Deckwand des Gehäuses aus einer strahlungsbündelnden, mittensymmetrisch ausgebildeten Facettenscheibe besteht, daß sich die einzelnen, unmittelbar aneinandergrenzenden und Jeweils gegeneinander geneigte Flächen besitz-enden Facetten parallel zu einer Seitenwandung des Gehäuses erstrecken, daß die in das Gehäuseinnere gerichteten Spitzen der Facetten zumindest im wesentlichen auf einem Kreisbogen liegen und die Winkel zwischen den an diesen Spitzen zusammenstoßenden Facettenflächen von der Scheibenmitte nach außen zunehmend größer werden, und daß der Absorber im Bereich der Brennebene der Facettenscheibe angeordnet ist.
• Durch die Verwendung einer ganz charakteristisch ausgebildeten Facettenscheibe in Verbindung mit dem relativ zur Facettenscheibe optimal angeordneten Absorber wird es möglich, einerseits den Tagesausnutzungsgrad ganz beträchtlich zu erhöhen und andererseits aufgrund des sich ergebenden Fokussierungseffekts eine Anhebung der Temperatur des Wärmeträgers im Absorber auf ein Mehrfaches der Außentemperatur zu erreichen.
• Die Erhöhung des Tagesausnutzungsgrades bedeutet praktisch, daß nicht nur im Mittagsbereich eine beträchtliche Wärmegewinnung erfolgt, sondern daß bereits in den Vormittagsstunden und auch in den Nachmittagsstunden noch ein vergleichsweise hoher Anteil der vorliegenden Wärmestrahlung ausgenützt werden kann.
• Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung nimmt die Breite der Facetten ausgehend von der Mitte der symmetrisch ausgebildeten Facettenscheibe nach außen zu, wobei die Breite der Randfacetten zweckmäßigerweise etwa dem 1,5-fachen Wert der Breite der Mittelfacette entspricht.
• Die Neigung der Jeweils der Mitte der Facettenscheibe näherliegenden Fläche jeder Facette bezüglich der Deckenfläche der Facettenscheibe ist kleiner als die entsprechende Neigung der ihr zugeordneten Fläche, wobei bevorzugt die Unterschiede in der Neigung der beiden Flächen einer Facette von der Mitte der Facettenscheibe nach außen hin abnehmen.
• Diese Gestaltungs- und DimessionierurZgsmaPJnsMmen der Facettenscheibe stellen sicher, daß unter starker Reduzierung unerwunschter Reflexionen auch bei schräg einfallender Wärmestrahlung eine vergleichsweise starke Konzentrierung der Infrarotstrahlung an der Absorberoberfläche ermöglicht wird.
• Besonders vorteilhaft ist es, auf der außenliegenden Fläche der Facettenscheibe eine Vielzahl von im Querschnitt teilkreisförmigen, sich in gleicher Richtung wie die Facetten erstreckenden, unmittelbar aneinandergrenzenden Stablinsen vorzusehen.
• Diese Stablinsen deren Brennweite bevorzugt etwa 2 bis 3 mm beträgt, erbringen eine Verglechmäßigung der Leistungsverteilung iiber den gesamten Tag, d. h. sie ermöglichen es, am Vormittag und am Nachmittag mehr Leistung zu gewinnen, wobei dieser Leistungsgewinn den sich bei senkrechtem Strahlungseinfall ergebenden Abfall in der Gesamtbilanz überwiegt.
• Da die gemäß der Erfindung verwendete Facettenscheibe aus Glas gepreßt oder strangförmig gezogen werden kann, bereitet es nach einmal erfolgter Anfertigung der Form oder Matrize keine weiteren Schwierigkeiten oder Kosten, die Facettenscheiben gleichzeitig auf ihrer freien Oberfläche mit den Stablinsen zu versehen.
• Eine sich insbesondere zur Verwendung im Zusammenhang mit Warmwasser-Heizungen oder zur Brauchwasserbereitung eignende Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der flächig ausgebildete Absorber in der vertikalen Mittenebene des Gehäuses angeordnet ist und sich im wesentlichen über die gesamte Höhe des Gehäuses erstreckt.
• Durch diese Anordnung des Absorbers und die Ausgestaltung der Facettenscheibe wird der ausnutzbare Anteil des infraroten Lichtes beidseitig an die Absorberfläche geschickt, wodurch sich eine Verdoppelung des Wärmeanteils ergibt.
• Bezogen auf die Grundfläche kann ohne Berücksichtigung der entsprechenden Verluste eine Wärmekonzentrierung im Bereich von 1:25an der Absorberoberfläche erhalten werden.
• Beiderseits des Absorbers ist dabei jeweils eine vorzugsweise unter einem Winkel von 450 bezüglich des Gehäusebodens verlaufende Spiegelfläche angeordnet, die sich vom facettenseitigen Bereich des Gehäuses bis etwa in den Bereich der Bodenmitte des Gehäuses erstreckt. Diese beiden Schrägspiegel leiten die durch Streuung und Brechung auf die Spiegelflächen gelangenden Strahlungsanteile an den Absorber weiter.
• Durch die beidseitige Aufheizung des Absorbers ist es möglich, ein schnelleres Anspringen des Systems zu erreichen und eine höhere Durchflußgeschwindigkeit zuzulassen.
• Bei einer weiteren ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Absorber im Bereich der Brennebene der Facettenscheibe und im wesentlichen parallel zur Bodenfläche des Gehäuses angeordnet. Durch diese Querlage des Absorbers kann der volle Linseneffekt der Facettenscheibe ausgenutzt werden, wobei im Wärmeträger hohe Temperaturen erreicht werden können und im Falle der Verwendung von Wasser als Wärmeträger Wasserdampfbildung auftreten kann.
• In diesem Zusammehang verdient besondere Beachtung, daß diese hohen Temperaturen wiederum bedingt durch die spezielle Ausgestaltung der Facettenscheibe nicht nur bei senkrechtem Strahlungseinfall, sondern auch bei schräg einfallenden Wärmestrahlen und damit über einen vergleichsweise großen Abschnitt eines Tages erhalten werden. Dies ermöglicht einen vorteilhaften Einsatz dieser Bausteine auch im Zusammenhang mit Sühl- bzw. Klimaanlagen in südlichen Ländern, da die hohen Temperaturen des Wärmeträgers, der beispielsweise auch aus einem Ilochtemperaturöl mit einem Verdampfungspunkt im Bereich von 300 bis 3500 C bestehen kann, über einen relativ langen Zeitraum eines Tages zur Verfügung stehen. Gerade dann, wenn die Energieeinstrahlung sehr hoch ist und demgemäß auch der Wärmeträger auf eine relativ hohe Temperatur gebracht werden kann, ist bei diesem geschilderten Anwendungsfall auch die über die nachgeschalteten Kreise erreichbare Kühlleistung besonderes hoch, so daß sich ein optimales Zusammenwirken der erfindungsgenäßen Kollektoren mit den entsprechenden Eühl- oder Klimaanlagen erreichen läßt. Natürlich kann diese Anordnung bei entsprechender Umschaltung auch zum Zwecke der Heizung oder Brauchwasserbereitung eingesetzt werden.
• Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, das Gehäuse des Sonnenkollektors in der Art eines Hohlblocksteines auszubilden und beispielsweise eine lichtdurchlässige Bodenwand vorzusehen. Auf diese Weise kann zum Beispiel in Gärtnereien, eine Dach- oder Wandungskonstruktion geschaffen werden, die einerseits den benötigten Lichteinfall gewährleistet, andererseits aber auch gleichzeitig zu Heizungazwecken dient.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines in der Art eines Bausteins ausgebildeten Sonnenkollektors nach der Erfindung.
• Ein Sonnenkollektor-Baustein besteht aus einem trogförmigen, rechteckigen Gehäuse 1 mit einer Bodenwand 2, das mittels einer Facettenscheibe 3 abgedeckt ist. In der vertikalen Mittenebene des Gehäuses und in Richtung der einzelnen Facetten der Scheibe 3 verlaufend ist ein Absorber 4 angeordnet, der sich quer durch das Gehäuse erstreckt und prinzipiell in beliebiger Weise ausgebildet sein kann. Bevorzugt wird jedoch eine Bauart verwendet, bei der die zwischen den einzelnen, den Wärmeträger führenden Kanälen oder Leitungen vorgesehenen Stege flächig ausgebildet sind, da diese Flächen im praktischen Betrieb von der Wärmestrahlung getroffen werden unddamnt ein zusätzlicher Aufheizeffekt erzielt werden kann.
• Beiderseits des Absorbers 4 ist jeweils eine unter einem Winkel von 450 bezüglich des Gehäusebodens 2 verlaufende Spiegelfläche 5 angeordnet, die sich vom facettenseitigen Bereich des Gehäuses bis etwa in den Bereich der Bodenmitte des Gehäuses erstreckt. Diese Spiegelfläche kann beispielsweise auch durch eine bedampfte Folie realisiert werden.
• Die Innenwandung des Gehäuses 1 ist vorzugsweise mit einer Wärmeisolierung 6 versehen.
• Die nach außen gerichtete Fläche der Facettenscheibe 3 ist vorzugsweise leicht gewölbt. Die nach innen gerichteten einzelnen Facetten 7 besitzen jeweils zwei unterschiedlich große, gegeneinander geneigte und in einer Spitze zusammenlaufende Flächen 8, 9. Die Spitzen dieser Facetten liegen bevorzugt auf einem Kreis bzw. bilden Mantellinien eines gedachten Zylinders. Der Kriiinmungsradius ist dabei kleiner als der Krümmungsradius der äußeren gewölbten Fläche der Facettenscheibe.
• Bevorzugte Werte der Neigungswinkel der Facettenflächen der mittensymmetrisch ausgebildeten Scheibe sind in der Zeichnung angegeben.
• Auf der außenliegenden Fläche der Facettenscheibe 3 ist eine Vielzahl von im Querschnitt teilkreisförmigen, sich in gleicher Richtung wie die Facetten 7 erstreckenden, unmittelbar aneinandergrenzenden Stablinsen 10 vorgesehen. Diese Stablinsen 10, deren Brennweite geringer ist als der Abstand zu den darunterliegenden Facettenflächen, erbringen eine wesentliche Vergrößerung der Oberfläche und eine gleichmäßigere Leistungsverteilung über den gesamten Tag.
• Der in der Zeichnung dargestellte Baustein mit mittig und senkrecht angeordnetem Absorber 4 und Spiegelflächen 5 eignet sich speziell für die Brauchwasserbereitung bei Temperaturen des Wärmeträgers unter 1000 C.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden keine Spiegel 5 vorgesehen,und der Absorber wird im Bereich der Brennebene der Facettenscheibe im wesentlichen prallel zur Bodenwand 2 verlaufend angeordnet. Dies ist in der Zeichnung strichliert dargestellt, und der in dieser Weise angeordnete Absorber trägt das Bezugszeichen 4'.
• Bei dieser besonders vorteilhaften Ausführungsform des Sonnenkollektors nach der Erfindung wird es möglich, über einen vergleichsweise langen Zeitraum eines Tages im Wärmeträger hohe und deutlich über 1000 C liegende Temperaturen zu erreichen. Dies ermöglicht den Einsatz eines derartigen Bausteins im Zusammenhang mit den entsprechenden nachgeschalteten Geräten zu Kühlzwecken und damit-für Klimaanlagen. Gerade dieser Anwendungsfall ist in den Ländern mit starker und konstanter Sonneneinstrahlung von besonderer Bedeutung.
• Wenn dabei als Wärmeträger Fluide mit hohen Verdampfungstemperaturen verwendet werden, so ist es möglich, die bei Verwendung von Wasser als Wärmeträger bestehende Verkalkungsgefahr ganz auszuschalten und außerdem störende hohe Drücke im Leitungssystem zu vermeiden.
• Patentansprüche:

Claims (24)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1.) Sonnenkollektor in Bausteinforn, bestehend aus einem y rechteckigen, allseitig geschlossenen Gehäuse sowie einem in diesem Gehause im Bereich der einfallenden Warmestrahlung angeordneten und von einem flüssigen Wärmeträger durchströmten Absorber, dadurch gekennzeichnet, daß die der einfallenden Wärmestrahlung ausgesetzte Deckwand des Gehäuses (1) aus einer strahlungsbiindelnden, mittensaymmetriscll ausgebildeten Facettenscheibe (3) besteht, daß sich die einzelnen, unmittelbar aneinandergrenzenden und jeweils gegeneinander geneigte Flächen (8, 9) besitzenden Facetten (7) parallel zu einer Seitenwandung des Gehäuses erstrecken, daß die in das Gehäuseinnere gerichteten Spitzen der Facetten (7) zumindest im wesentlichen auf einem Ereisbogen liegen und die Winkel zwischen den an diesen Spitzen zusammenstoßenden Facettenflächen (8, 9) von der Scheibenmitte nach außen zunehmend größer werden, und daß der Absorber (4) im Bereich der Brennebene der Facettenscheibe angeordnet ist.
2. 2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der zwischen den aneinander stoßenden Facettenflächen (8, 9) eingeschlossene Winkel ausgehend von der Mitte der Facettenscheibe (3) nach beiden Seiten von etwa 900 bis auf etwa 1200 zunimmt.
3. 3. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Breite der Facetten (7) ausgehend von der Mitte der Facettenscheibe (3) nach außen zunimmt.
4. 4. SonnenkolleRtor nach Anspruch 3, dadurch g e lt e n n -z e i c h n e t , daft die Breite der 2.andfacetten etwa der 1,5-fachen Breite der Hittelfacette entspricht.
5. 5 ,onnenkollektor nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Neigung der jeweils der Mitte der Facettenscheibe (3) nsherliegenden Fläche (n) jeder acetate (7) bezüglich der Deckenfläche kleiner ist als die entsprechende Neigung der ihr zugeordneten Fläche (8).
6. 6. Sonnenkollektor nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Unterschiede in der Neigung der beiden Flächen (8, 9) einer Facette (7) von der Mitte der Facettenscheibe (3) nach außen abnehmen.
7. 7. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e lt e n n z e i c h n e t , daß die Oberfläche der Facettenscheibe (3) leicht nach außen gewölbt ist.
8. 8. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Brennweite der Facettenscheibe (3) bei senkrechter Einstrahlung etwa 150 mm beträgt.
9. 9. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß auf der außenliegenden Fläche der Facettenscheibe (3) eine Vielzahl von im Querschnitt teilkreisförmigen, sich in gleicher Richtung wie die Facetten (7) erstreckenden, unmittelbar aneinandergrenzenden Stablinsen (10) vorgesehen ist.
10. 10. Sonnenkollektor nach Mspruch 9, dadurch g e lt e n n -z e i c h n e t , daß jeder Facette (7) eine Mehrzahl von Stablinsen (10) zugeordnet ist
11. 11. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 8 oder 10, dadurch g e lt e n n z e i c h n e t , da' die 13rennweite der Stablinsen (10) im Bereich von 2 bis 3 mm liegt.
12. 12. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch g e lt e n n ze i c h n e t , daß die Stablinsen (10) im Querschnitt etwa halbkreisförmig sind.
13. 13. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die acettenscheibe (3) aus einem Glas mit einer wandstärke von etwa 6 mm gepreßt ist.
14. 14. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüc'ne, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der flächig ausgebildete Absorber (4) in der vertikalen Mittenebene des Gehäuses (1) angeordnet ist und sich im wesentlichen über die gesamte Iföhe des Gehäuses erstreckt.
15. 15. Sonnenkollektor nach Anspruch 14, dadurch g e lt e n n -z e i c h n e t , daß beiderseits des Absorbers (4) jeweils eine vorzugsweise unter einem Winkel von 450 bezüglich des Gehäusebodens (2) verlaufende Spiegelfläche (5) angeordnet ist, die sich vom facettenseitigen Bereich des Gehäuses (1) bis etwa in den Bereich der Bodenmitte des Gehäuses erstreckt.
16. 16. Sonnenkollektor nach Anspruch 15, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Spiegel (5) aus bedampften Folien bestehen.
17. 17. Sonnenkollektor nach einen der Ansprüche 1 bis 14, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Absorber (Q) im Bereich der Brennebene der Facettenscheibe (3) parallel zum Gehäuseboden (2) angeordnet ist.
18. 18. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß im Absorberkreis ein Hochtemperaturöl vorgesehen ist.
19. 19. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Gehäuse (1) mit einer Innenisolierung (6) versehen ist.
20. 20. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das Gehäuse (1) in der Art eines Hohlblocksteines ausgebildet ist.
21. 21. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Bodenwand (2) des Gehäuses (1) lichtdurchlässig ausgebildet ist.
22. 22. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die einzelnen Bausteine Außenabmessungen im Bereich von 50 bis 60 cm besitzen.
23. 23. Sonnenkollektor mit im Gehäuse vertikal angeordnetem Absorber nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, .":15 e k e n n z e i c h n e t durch seine Verwendung in Warmwasser-Heizungsanlageng bzw. zur Brauchwassererzeugung.
24. 24. Sonnenkollektor mit im Gehäuse parallel zur Bodenwand angeordnetem Absorber nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch seine Verwendung in Eühl- oder Klimaanlagen.