DE2826202A1

DE2826202A1 - Verfahren und vorrichtung zur gewinnung von waerme in ausgewaehlten teilbereichen des spektrums der sonnenstrahlung

Info

Publication number: DE2826202A1
Application number: DE19782826202
Authority: DE
Inventors: Werner Heieali
Original assignee: HELIOTHERM AG
Current assignee: HELIOTHERM AG
Priority date: 1977-11-18
Filing date: 1978-06-15
Publication date: 1979-05-23
Also published as: NL7811386A; DE2826202C2; FR2409466A1; US4278075A; ATA472578A; BE871940A; DD140163A1

Description

H 190 d

Anmelder: Heliothera IG₉ Basel

Verfahren und Vorrichtungen zur Gewinn»»* τοη Urs· ausgewählten Teilbereichen des Spektrums der SonnssetTslLLunc.

Die Erfindung betrifft ein Yerf ehren und Torric zur Gewinnung τοη Wärae in aasgewählten leilbereicJMra des Spektruas der Sonnenstrahlung zwischen 525 und 800 am

Wellenlänge. Zur Gewinnung τοη Wärme aus der Sonnenstrahlung slat sog· Sonnenkollektoren bekannt, die la Hiederteeperaterfctt**ieh

in allgemeinen aus einer echwarsen, 11 nil! iTninTirttTipflm

Platte bestehen, die τοη einer Wäreetau8cherflüeei«lteit

(i. allg. Wasser) durchflossen wird, welche tea JLolIekter die in ihm erzeugte Wärae entzieht. Sie fctlokseite I«·

Absorberplatte ist gut wärmeisoliert, und ia

stand τοη ihrer Vorderseite ist eine

Abdeckung angeordnet, beides ua WäraeTeriaste «u

fern.

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Solche Sonnenkollektoren werden auch .als Flachkollektoren oder - wegen ihrer schwarzen Absorberplatte - als Schwarzkollektoren bezeichnet. Sie sind überall dort geeignet, wo unter der Kollektorfläche kein licht benötigt wird, also auf den Bächern von Bauwerken, und dort, wo die Isolierung keine Schwierigkeiten bereitet.

Die photothermische Energiegewinnung im Niedertemperaturbereich wäre auch dort von Wert, wo Sonnenlicht nicht vollständig oder nicht im gesamten Spektralbereich genutzt wird·

Für Gewächshäuser werden erhebliche licht- und Wärmemengen benötigt, wobei im Tagesablauf die Energienachfrage nicht mit dem Energieangebot zusammenfällt. Wollte man ein Gewächshaus mittels Energie aus Schwarzkollektoren heizen, würde den Pflanzen bei der üblichen Hontage auf dem Dach zuviel Licht weggenommen. Die Schwarzkollektoren müßten also unter Inanspruchnahme bedeutender Hutzflächen auf dem Freilanä aufgestellt werden. Andererseits ist die Temperaturhaltung in einem Gewächshaus aus- serordentlich schlecht: An warmen bis heißen Tagen müssen Gewächshauser herkömmlicher Bauart mit mechanischen Mitteln beschattet werden, wodurch das gesamte Idchtspektrum reduziert wird; damit werden den Pflanzen für die Photosynthese wichtige Teilbereiche des Spektrums βηϊ,ζο- gen. An kühlen Tagen und in den Nächten ist die Wärme isolation der Gewächshaueverglasung ungenügend.

Ähnliches gilt für Hallenschwimmbäder und Sporthallen; hier spielt Tageslicht mäßiger Helligkeit für das menschliche Auge und Wohlbefinden eine erhebliche Roll«.

Freischwimmbäder können in europäischen Breiten ohne Beheizung nur einen kurzen Teil des Tages benutzt werden.

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Würde man Sohwarzlcollektoren zur Sonnenenergiegewinnung aufstellen» wären auch hier erhebliche Freilandflächen dafür erforderlich·

Es handelt sich also allgemein um Fälle» bei denen das Sonnenlicht auf mehrfache Weise genützt werden soll bzw. neben der Energiegewinnung noch anderen Nutzungsmöglichkeiten erhalten bleiben sollen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und Vorrichtungen nach Art der Sonnenkollektoren zu -finden, mit dem bzw. denen es ermöglicht wird, auch dort, wo unter dem Kollektorsystem Tageslicht benötigt wird oder erwünscht ist oder wo die notwendigen Wärmeisolierungen des Systems nur mit großem Aufwand möglich sind, Wärme aus Sonnenlicht zu gewinnen.

Die Lösung dieser Aufgabe wurde gefunden in einem Verfahren zur Gewinnung von Wärme in ausgewählten Teilbereichen des Spektrums der Sonnenstrahlung zwischen 325 und 800 nm Wellenlänge mittels eines für die Strahlung durchlässigen hohlen Körpers, der von einer Flüssigkeit durchströmt wird, die durch Beimengung von Farbpigmenten in den ausgewählten Teilbereichen absorbiert,' in den anderen Teilbereichen durchlässig ist. Auf diese Weise ist es möglich, zugleich die biologischen Funktionen und die Energie des Tages- bzw. Sonnenlichts zu nützen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nur dann in wirtschaftlich vertretbarem umfang einsatzfähig, wenn die hierdurch benötigten Kollektoren preisgünstig herzustellen und einzubauen sind. Hierzu schlägt die Erfindung vor, den bekannten Aufbau des Flachkollektors mit einer Absorber- platte in einem mit einer strahlungsdurchlässigen Abdeckung versehenen Gehäuserahmen zu übernehmen und die

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Absorptionsplatte aus einen im sichtbaren Spektralbereich und den nahen HT- bzw· m-Randbereichen lichtdurchläBsigen Werkstoff, vorzugsweise Polycarbonat herzustellen, und als Hohlkörper auszubilden und mit einer yiüssigkeit, Vorzugsweise Wasser zu füllen, der organische und/oder anorgani sche lichtechte farbpigsente in löslicher ΪΌγμ oder feinster Verteilung beigegehen sind. Diese larbpigaente kissen gegenüber der Strahlung des gesamten Spektrums lichtecht sein, dürfen, keine Teränderongen durch Alterung auf- weisen und nicht elektrostatisch auf ladbar sein« da sie sonst an den Wandungen der Absorberplatte des Kollektors oder der Hohrleitungen haften könnten. In nicht löslicher form müssen die Pigmente derart fein sein, daß sie auch bei Stillstand der transport flüssigkeit nicht eediaentie ren. Koneentration und Mischung τοη larbpigmenten Ter- schiedener Art können so eingestellt werden, dafi die die Absorberplatte füllende bzw. durchströmende Tlüesigkeit vorgegebene Teilbereiche des Spektrums selektiv absorbiert, in den anderen feilbereichen aber durchlässig ist.

Der erfindungsgeaäSe riachkollektor bietet darüber hinaus den überraschenden Torteil, dafi seine Absorberplatte ausserhalb der Betriebszeiten entleert «erden kann und der Kollektor dann aufgrund seiner niedrigen Wäraeleitzahl in seiner WarBedämmng gegenüber dea Außenrasoe etwa einer

Dreifach-fhemoTerglasung entspricht.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert· In dieser zeigen*

Hg. 1 scheeatißch einen Querschnitt durch einen selek

tiv strahlungsdurohULssigen llachkollektor}

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Pig. 2 die Kurven des für die Photpsynthese nötigen

lichtspektrums und ihre Annäherung durch einen Versuchskollektor;

Fig. 3 die Kurven des dem menschlichen Auge sichtbaren Lichtspektrums und ihre Annäherung durch einen

Versuchskollektor.

Der Plachkollektor nach Pig. 1 besteht auf-seiner Unterseite aus einer scheibenförmigen hohlen Absorberplatte 1 und auf seiner Oberseite aus einer Deckplatte 3» die beide in einem Eahinen 4 aus einem Strangpreßprofil aus Kunststoff oder leichtmetall gehalten sind und zwischen sich einen Raum 2 einschließen, der üblicherweise mit Luft gefüllt ist, aber auch mit einem die IR-Strahlung hemmenden Gas gefüllt oder evakuiert sein kann.

Die Deckplatte 3 kann aus Glas, Polycarbonat o.dgl. bestehen und als Plach- oder Profilplatte ausgebildet sein und muß Winddrücke, bei Evakuierung des Raumes 2 aucb den äußeren Luftdruck aufnehmen und Schneelasten tragen können. Als Profilplatte kann sie nach optischen Gesetzen in Längs- und/oder Querrichtung profiliert sein, um den im Tagesverlauf sich ändernden Lichteinfallwinkel zu korrigieren und somit den photοthermischen Effekt zu steigern.

Die Absorberplatte 1 wird aus einem strahlungsdurchlässigen, temperatur- und alterungsbeständigen, chemisch resistenten Kunststoff im Strangpreßverfahren hergestellt.

Insbesondere besitzt Polycarbonat alle geforderten Eigenschaften, wie Kälte- und Hitzebeständigkeit, Lichtdurchlässigkeit im sichtbaren und näheren UV-Bereich, realisierbare Oberflächengüte, extrem hohe Lebensdauer bei Kon- takt mit Wasser und/oder hohen Luftfeuchtigkeiten. Gem.

Fig. 1 ist die Absorberplatte 1 als flacher, quaderförmiger

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Hohlkörper ausgebildet, der in seinem.Inneren durch zu einer Eandseite parallel verlaufende, seine Ober- und Unterseite verbindende Stege in mehrere längliche Kammern 1.2 unterteilt ist, die an den beiden Stirnseiten des Hohlkörpers über rohrförmige Anschlußstücke miteinander kommunizieren. Über diese (nicht dargestellten) Anschlußstücke ist der Flachkollektor bzw. seine Absorberplatte 1 an den äußeren Plüssigkeitskreislauf abgeschlossen; sie bestehen ebenfalls aus Kunststoff, vorzugsweise Polycarbonat, und haben die Aufgabe, die Zirkulation des Mediv.ms über die ganze Plattenbreite derart zu verteilen., daß in der·"Platte über die ganze Fläche regelmäßige Strömungsverhältnisse herrschen. Auf Schrägdächern wird der Flachkollektor so eingebaut, daß die Kammern 1.2 in lex FaIllinie verlaufen, um durch die Ihermik der durch die Einstrahlung erwärmten Flüssigkeit in Verbindung mit dem Durchflußwiderstand eine möglichst lineare Fließgeschwindigkeit über die ganze Plattenbreite zu erreichen.

Die erfindungsgemäßen lichtselektiven Flachkollektoren werden in Modulbauweise so hergestellt, daß sie überall leicht montierbar sind. Aus Versuchen haben sich folgende Detailmaße als vorteilhaft ergeben:

Absorberplatte 1, im Strangpreßverfahren aus Polycarbonat hergestelltt

Wand- und Stegstärken: 0,5 - 1,0 mm, Idchtmaße der Kammern 1.2: 5-10 mm; die Stege 1.1 geben der Absorberplatte 1 eine außerordentliche Steifigkeit.

Abstand zwischen Absorberplatte 1 und Deckplatte 3 (lichte Höhe des Luftraumes 2): 10-20 mm.

Anwendungsbeispiel 1

In das Diagramm der Fig. 2 ist gestrichelt die Kurve des Lichtspektrums eingetragen, das von der Pflanze für die

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Photosynthese benötigt wird.

Diese Kurve läßt sich als Filterkurve einer selektiv absorbierenden Flüssigkeit in der Absorberplatte des Flachkollektors herstellen mittels einer Mischung aus reinen Grundfarben, z.B.

1 Teil eines organischen Grünfarbstoffes, z.B. als Chlorophyll-Extraktion,

4 Teile eines organischen Rotfarbstoffes, z.B. in Form von Bordeaux-Rot,
2 Teile eines organischen Blaufarbstoffes.

Diese im Handel erhältlichen Farbstoffe werden in bekannter Weise feinstgemahlen und antistatisch gemacht; stark hygroskopische Farbstoffe werden gegen Agglomeratbildung behandelt.

Die ausgezogene Kurve in Fig. 2 zeigt die q?ektra3eDirchlässigkeitsverteilung, die bis 700 mn in sehr guter Übereinstimmung mit der Spektralkurve der Photosynthese ist. Der so präparierte Flachkollektor erlaubt die Transmission aller für die Photosynthese der Pflanzen erforderlichen Teilspektren, während alle übrigen absorbiert, in Wärme verwandelt und über die Kollektorflüssigkeit einem Speicher zugeführt werden können, aus dem die Energie naoh zeitlichem Bedarf abgerufen werden kann. Das für die Photosynthese von den Pflanzen benötigte Licht umfaßt ca.

30 i» des gesamten einfallenden Mchtspektrums, 70 i> können also ohne wesentliche Investitionen in Wärme umgewandelt und zur Beheizung der Gewächs- und Treibhäuser nutzbar gemacht werden. Der in den Sommermonaten anfallende Überschuß kann nachts wieder über die Kollektoren abgestrahlt werden oder zur Beheizung von Freiland Verwendung finden.

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Die Flachkollektoren können mit geringstem Aufwand unter bestehende Gewächshaus-Glasdächer montiert oder als Module direkt in die Baukonstruktion eingegliedert werden. Da sie zudem einen sehr niedrigen Wärmeleitwert haben, wird die Sonnenenergie für diesen Zweck auf wirtschaftlichste Weise genutzt.

Anwendungsbeispiel 2

In das Diagramm der Fig. 3 ist gestrichelt das für das

Auge sichtbare Teilspektrum innerhalb der Strahlung zwisehen 325 und 800 mn eingetragen. Dieses Spektrum wurde . in guter Annäherung bis 630 mn nachgebildet mittels einer Flüssigkeit, der Farbpigmente zugesetzt waren in einer Mischung von z.B.

2 Teile eines anorganischen Rotfärbstoffes, z.B. als De~ rivat des Eisenoxids,

4 Teile eines organischen Grünfarbstoffes,

9 Teile eines organischen Blaufarbstoffes und

5 Teile eines organischen Violettfarbstoffes.

Das vom menschlichen Auge gesehene Licht überdeckt ca.

35 i> des gesamten Spektrums. 65 f> können also als Wärme gewonnen werden. Sie werden im Falle eines Freischwimmbades über den Flüasigkeitskreislauf direkt oder über einen Speicher zugeführt. Die Flachkollektoren können zu diesem Zweck als freitragende Dächer über Liegeplätzen usw. aufgestellt werden. Eine solche Abdeckung absorbiert die UV-Einstrahlung und reduziert die Überhitzung des Körpers und verhindert Sonnenbrand.

Die gleichen Flachkollektoren können auch für Hallenschwimmbäder, Sporthallen u.dgl. verwendet werden.

Als Teile der Außenhaut, insbesondere der Bedachung von

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geschlossenen Räumen wie Gewächshäusern und Hallen können die Flachkollektoren in Zeiten, in denen keine Energie anfällt, entleert und als Schutz gegen Abstrahlung in den kalten Außenraum verwendet werden. Der Wärmeleitwert von Luft beträgt nur ein Viertel desjenigen von Wasser. IJit der Beckplatte zusammen entspricht dann der Wärmeleitwert des luftgefüllten Flachkollektors annähernd dem einer Dreifach-Thermoverglasung. Bei einer Evakuierung der Absorberplatte 1 auf z.B. 10 Torr verringert sich der Y/ärmeleitwert noch einmal um knapp die Hälfte.

Andererseits können die Flachkollektoren auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt betrieben werden, wenn der Flüssigkeit ein die Absorberplatte 1 nicht angreifendes und spektralphotometrisch im Durchlaßbereich indifferentes Frostschutzmittel beigemischt ist.

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Claims

Pat entans prüche

Verfahren zur Gewinnung von Wärme in ausgewählten Teilbereichen des Spektrums der Sonnenstrahlung zwischen 325 und 800 nm Wellenlänge mittels eines für die Strahlung durchlässigen hohlen Körpers, dar von einer Flüssigkeit durchströmt wird, die durch Beimengung von Farbpigmenten in den ausgewählten Teilbereichen absorbiert, in den anderen Teilbereichen durchlässig ist.
2. Verfahren zur Herstellung eines selektiv lichtdurchlässigen Flachkollektors zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem strahlungsdurchlässigen, temperatur- und alterungsbeständigen, chemisch resistenten Kunststoff im Strangpreßverfahren ein plattenförmiges, seitlich geschlossenes und im Inneren durch Stege ausgesteiftes Hohlprofil extrudiert wird, daß das Hohlprofil auf länge geschnitten und an seinen offenen Stirnseiten durch je ein die zwischen den Stegen gebildeten kammerartigen Hohlräume verbindendes rohrartiges Anschlußprofil verschlossen wird und daß die so gebildete Absorberplatte mit dem strahlungsselektiven flüssigen Medium gefüllt wird.
3. Flachkollektor mit einer Absorberplatte in einem mit einer strahlungsdurchlässigen Abdeckung versehenen Gehäuserahmen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberplatte (1) aus einem im sichtbaren Spektralbereich und den nahen UV- bzw. IR-Randbereichen

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ORIGINAL INSPECTED

lichtdurchlässigen Werkstoff, vorzugsweise Polycarbonat hergestellt und als Hohlkörper ausgebildet ist und mit einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wassei-j gefüllt ist, der organische und/oder anorganische lichtechte Farbpigmente in löslicher Form oder felaster Verteilung beigegeben sind·
4. Flachkollektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberplatte (1) als flacher, quaderförmiger Hohlkörper ausgebildet ist, der in seinem Inneren durch zu einer Rand sei te parallel verlaufen-'de, seine Ober- und Unterseite verbindende Stege (1.1) in mehrere längliche Kammern (1.2) unterteilt ist, die an den beiden Stirnseiten des Hohlkörpers über rohrförmige Anschlußstücke miteinander komnunizieren.
5. Flachkollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberplatte (1) aus Polycarbonat im Strangpreßverfahren hergestellt ist, daß die Wandstärken und die Stegstärken 0,5 - 1,0 mm betragen und daß die licht maße der Kammern (1.2) zwischen. 5 und 10 mm betragen.
6. Flachkollektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Absorberplatte (1) und Deckplatte (3) zwischen 10 und 20 mm beträgt·
7. Flachkollektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberplatte (1) aus einer Anzahl nebeneinander angeordneter Rohre vorzugsweise quadratischen Querschnitts gebildet ist, die an den beiden . Stirnseiten der Absorberplatte über rohrförmige AnschlußstUcke miteinander kommunizieren.

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8. Flaehkollektor nach Ansprucli 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tarnpigmente bestehen aus einem organischen Hotfarbstoff, z.B. Bordeaux-Eot, oder aus einem anorganischen Botfarbstoff, z.B. einem Derivat des Eisenoxids (Fe₂O-) und/oder aus einem organischen Srünfarbstoff, z.B. einer Chlorophyll-Extraktion
und/oder aus einem organischen Blaufarbstoff und/oder aus einem organischen Violett färbst off, deren Konzentration und Mischungsverhältnis so eingestellt ist, daß im Durehlaßbereieh der Absorberplatte • (1) der vorgegebene Spektralverlauf bestmöglich angenähert ist.
9. Flachkollektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeit ein die Absorberplatte (i) nicht angreifendes und spektralphotometrisch im Durchlaßbereich indifferentes Frostschutzmittel beigemischt ist·

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