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Verfahren und Vorrichtung zum Auffangen
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von Sonnenenergie Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auffangen
von Sonnenenergie, bei dem in einer Kammer mit einer der Sonne zugewandten, für
Sonnenstrahlen durchlässigen transparenten Abdeckung ein Wärmeübertragungsmedium
enthaLten ist, das an ein Umwälzsystem mit Wärmeaustauscher angeschlossen ist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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Ein Verfahren der eingangs geschilderten Art ist bekannt (DT-OS 2
120 345). Als Wärmeübertragungsmedium wird Luft verwendet. Die Sonnenstrahlen durchdringen
die transparenten Kammerschichten, gelangen dann an eine Absorptionsschicht, die
die Bodenwand der das Wärmeübertragungsmedium führenden Kammer bildet. Diese Absorptionsschicht
erwärmt sich durch die Sonnenstrahlung und gibt die Wärme durch Konvektion an das
Wärmeübertragungsmedium Luft ab.
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Die bekannte Anlage hat nur einen mäßigen Wirkungsgrad, was einmal
darauf zurückzuführen ist, daß zuerst die Wärmeabsorptionsschicht angewärmt werden
muß und daß die Wärme dann durch Konvektion an das gasförmige WärmeUbertragungsmedium
abgegeben werden muß, wobei mit relativ ungünstigen Wärmeübergangszahlen zu rechnen
ist. Aufgrund der geringen spezifischen Wärme des Wärmeübertragungsmediums ist ein
relativ großer Durchsatz erforderlich. Der Installationsaufwand für die Umwälz-
und Wärmeaustauschsysteme ist dementsprechend groß. Die Wärmeverluste verschlechtern
den Wirkungsgrad.
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Es ist weiterhin vorgeschlagen worden, in einem Mehrkammersystem als
Wärmeübertragungsmedium Wasser zu verwenden, wobei ebenfalls von einer bodenseitigen
Wärmeabsorptionsschicht die aufgenommene Sonnenenergie an das Wasser abgegeben wird.
Der Wärmeübergang ist bei diesem System günstiger, jedoch haften auch diesem Verfahren
noch verschiedene Nachteile an.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Verfahren und eine entsprechende
Vorrichtung zum Auffangen von Sonnenenergie zu schaffen, um mit geringerem Installationsaufwand
eine höhere Energieausbeute zu erhalten.
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Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst,
daß als Wärmeübertragungsmedium eine dunkle Wärmeabsorptionsflüssigkeit mit hohem
Absorptionsvermögen für Wärmestrahlen in einem Wellenlängenbereich von 0,8 10-3
bis 400 . 10 3 mm verwendet wird. Gemäß einem Merkmal der Erfindung weist die Wärmeabsorptionsflüssigkeit
eine Oberfläche mit einem Emissionskoeffizienten von 0,8 - 1 0 auf.
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Unter Emissionskoeffizient wird hier das Verhältnis der Strahlungsenergieemmission
der Oberfläche des Wärmeabsorptionsmediums zu der Strahlungsemission des in der
Physik sog. schwarzen Körpers definiert.
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Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
daß als Wärmeabsorptionsflüssigkeit dunkel gefärbtes Wasser verwendet wird. Alternativ
besteht die Wärmeabsorptionsflüssigkeit aus einem Öl bzw. aus einer Öl-Wasseremulsion.
Die Tröpfchenoberfläche des verwendeten Öls hat erfindungsgemäß ein geringes Reflexionsvermögen.
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Mit der Erfindung werden erhebliche Vorteile erzielt. Während nach
dem bekannten Verfahren das Wärmeabsorptionsmedium eine dunkle Beschichtung der
Kammerbodenfläche ist, wird
erfindungsgemäß das Wärmeübertragungsmedium
selbst als Wärmeabsorptionsmedium benutzt. Die durch die transparente Deckschicht
der die Wärme absorptions flüssigkeit enthaltenden Kammer eintretenden Sonnenstrahlen
dringen in die Wärmeabsorptionsflüssigkeit. Diese absorbiert den weitaus überwiegenden
Anteil der Wärme strahlen.
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Die Sonnenstrahlung dringt je nach Intensität der Einfärbung der Absorptionsflüssigkeit
relativ weit in diese ein und wird dort so oft von den Farbkörperchen absorbiert
und reflektiert, daß nur noch ein sehr geringer Teil der Strahlung bis an die Kammerbegrenzungsoberfläche
zurückdringt und dort mit der direkt an dieser Oberfläche reflektierten Strahlung
zusammen eine Verluststrahlung bildet. Diese Verluststrahlung wird jedoch auch noch
von den Kammerbegrenzungswänden in die Absorptionsflüssigkeit zurückreflektiert,
so daß die tatsächlichen Verluste noch weitaus geringer sind.
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Eine gewisse Absorption der Sonnenstrahlung tritt auch in den transparenten
Begrenzungswänden auf und zwar abhängig von deren Dicke. Vorteilhaft ist es daher,
die Begrenzungswände möglichst dünn zu machen. Gegenüber Glas in der erforderlichen
Dicke sind dünnere, stabile strahlungsdurchlässige Kunststoffplatten oder -folien
günstiger.
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In diesem Zusammenhang besteht ein sehr wichtiges Merkmal noch darin,
daß die in Strahlungsrichtung gesehen hintere Begrenzungswand der Wärmeabsorptionskammer
eine der Sonnenstrahlung
zugewandte Beschichtung mit hohem ReElexionsvermögen
aufweist. Während also nach dem Stand der Technik die entsprechende Oberfläche als
Absorptionsfläche ausgebildet ist, wird diese Fläche erfindungsgemäß als Reflexionafläche
ausgebildet. Diese Reflexionsschicht bewirkt nämlich, daß die von der Wärmeabsorptionsflüssigkeit
emittierte Wärmestrahlung nur zu einem geringen Teil von der hinteren Begrenzungswand
absorbiert,
vielmehr jedoch aufgrund der Reflexionsschicht in die
Flüssigkeit zurückreflektiert wird. Erfindungsgemäß wird also der Wärmestrahlungsanteil
des Sonnenlichtes unmittelbar und nicht wie beim Stand der Technik mittelbar im
Wärmeübertragungsmedium gesammelt. Die Energieausbeute ist dadurch größer, so daß
man mit kleineren Sonnenenergieabsorptionselementen zur Erzielung gleicher Leistung
auskommen kann.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß
gekennzeichnet durch mehrere flüssigkeitsseitig miteinander verbundene und nebeneinander
angeordnete Absorptionselemente, die je aus einem Mehrschichtkörper bestehen, welcher
in Strahlungsrichtung mindestens zwei hintereinanderliegende Kammern aufweist, deren
erste als Isolierkammer von zwei für Sonnenlichtstrahlen durchlässigen Schichten
begrenzt ist und ein sonnenlichtstrahlendurchlässiges Gas enthält, während die in
Strahlungsrichtung nachgeschaltete Kammer als Absorptionskammer die Wärmeaustauschflüssigkeit
enthält. Die Absorptionskammer ist gemäß einer Ausgestaltung - in Strahlungsrichtung
gesehen - beidseitig von gleich oder ähnlich ausgebildeten Isolierkammern umgeben.
Ein wichtiges Merkmal besteht dabei darin, daß die in Strahlungsrichtung gemessene
mittlere Höhe der Absorptionskammer geringer als die mittlere Höhe der vorgeschalteten
Isolierkammer ist.
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Die die Absorptionskammer begrenzenden Schichten haben vorzugsweise
einen
mittleren Abstand von weniger als ca. 20 mm.
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Dadurch ergibt sich eine sehr flache Bauweise.
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Das Absorptionselement kann gemäß einem Ausführungsbeispiel aus mehreren
ebenen, starren Platten zusammengesetzt sein.
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Eine besonders einfache und mit geringen Herstellungskosten behaftete
Ausbildungsmöglichkeit besteht jedoch darin, daß das Wärmeaustauschelement aus biegsamen
Kunststoffoaien bzw.
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-folienabschnitten besteh-t. Vorzugsweise sind vier im Abstand liegende
Folienabschnitte unter Bildung von 3 Kammersystemen vorgesehen, wobei die beiden
äußeren Kammern aufgeblasen sind und unter einem gewissen Überdruck gegenüber dem
umgebenden Atmosphärendruck stehen. Diese beiden Isolierkammern enthalten ein Gas,
vorzugsweise Luft. Die zwischen den beiden Isolierkammyrn befindliche Kammer enthält
die Wärmeabsorptionsflüssigkeit. Die beiden Begrenzungsschichten der Isolierkammern
sind vorzugsweise durch Verbindungsstege auf vorgegebenem Abstand gehalten oder
werden durch verschiedene Schweißpunkte miteinander verbunden, so daß ein flaches
Gebilde mit einer Vielzahl von miteinander zusammenhängenden Kammersektionen entsteht.
Das ganze Foliensystem ist vorzugsweise in einem starren Rahmen eingehängt, der
das System allseitig umgibt. Eine solche Ausbildung ermöglicht die Herstellung mit
geringen Kosten und eine sehr einfache Montage auf vorhandenen Dachflächen, da lediglich
Abstützungen
für den Rahmen vorgesehen werden müssen, in welchem
die einzelnen Kunststoffoliensysteme aufgehängt sind. Die flüssigkeitsseitige Verbindung
erfolgt durch Doppel schläuche oder ähnliche Anschlüsse. Die Montage der Wärmeabsorptionselemente
ist somit auch von ungelerntem Personal möglich.
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Anhand der Zeichnung, die einige Ausführungsbeispiele darstellt, sei
die Erfindung näher beschrieben.
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Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Ansicht eines neuartigen Wärmeabsorptionselementes,
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht durch das Wärmeabsorptionselement gemäß
Fig. 1 mit Darstellung der Sonneneinstrahlung, Fig. 3 eine perspektivische Ansicht
einer abgewandelten Ausführungsform eines Wärmeabsorptionselementes, Fig. 4 eine
perspektivische Ansicht einer weiter abgewandelten Ausführungsform eines Wärmeabsorptionselementes
und Fig. 5 die Ansicht eines aus einer Mehrzahl von Wärmeabsorptionselementen zusammengesetzten
Systems in schematischer Darstellung.
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Das Wärmeabso rptlonselement 10 gemäß Fig. 1 weist eine oberste Glasschicht
11 und eine davon im Abstand liegende Glasschicht 12 auf. Die beiden Schichten 11
und 12 haben einen
Abstand von etwa 20 mm voneinander. Zwischen
ihnen wird eine Isolierkammer 13 gebildet, die im allgemeinen Luft aufweist.
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Der Abstand zwischen den Schichten 11 und 12 ist so gewählt, daß eine
möglichst geringe Konvektion stattfindet. Die Kammer 13 kann zur besseren Isdierwirkung
unter einem gewissen Unterdruck stehen. Im Abstand von der inneren Glaswand 12 befindet
sich eine weitere Wand 14, die einen geringeren Abstand von der Wand 12 hat als
die Deckglasschicht 11.
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Zwischen den Wänden 12 und 14 wird eine Wärmeabsorptionskammer für
ein flüssiges Wärmeabsorptionsmedium gebildet.
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Die der Kammer 15 zugewandte Oberfläche der Schicht 14 ist beschichtet
und weist ein hohes Reflexionsvermögen auf. Im Abstand von der Schicht 14 befindet
sich eine äußere Schicht 16. Zwischen den Schichten 14 und 16 wird eine weitere
Isolierkammer 17 gebildet, die im Ausführungsbeispiel der Isolierkammer 13 ençspricht,
mit der Ausnahme, daß die Wände 14 und 16 nicht aus Glas, d.h. für Sonnenstrahlen
durchlässigem Material bestehen. Die Isolierkammer 17 kann auch mit Schaumstoff
gefüllt sein, wie es auch möglich ist, die Wand 16 ganz wegzulassen und anstelle
der Kammer 17 eine Isolierwand aus festem Material, insbesondere Schaumstoff anzuordnen.
An gegenüberliegenden Seiten befinden sich Anschlüsse 18, die mit der mittleren
Kammer 15 in Verbindung stehen.
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Durch diese Anschlüsse 18 werden die einzelnen Wärmeabsorptionselemente
10 flüssigkeitsseitig miteinander verbunden.
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Wie der Schnitt in Fig. 2 zeigt, treten die Strahlen S des Sonnenlichtes
nahezu ungehindert durch die beiden Glasplatten 11 und 12 hindurch und gelangen
in die Wärmeabsorptionskammer 15, die von einer dunklen Flüssigkeit gefüllt ist,
welche gekennzeichnet ist durch ein hohes Absorptionsvermögen für den Wärmestrahlungsanteil
des Sonnenlichtes. Die Wärmeabsorptinnsflüssigkeit ist in Fig. 2 mit F bezeichnet.
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In dem Wärmeabsorptionsmedium E' der Kammer 15 wird die Wärmestrahlung
aus dem Sonnenlicht zum größten Teil absorbiert.
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Ein geringer Prozentsatz wird an die Glasschicht 12 zurtica gestrahlt,
wird von dieser absorbiert und zum Teil in die Flüssigkeit F zurückgestrahlt. Die
hintere Begrenzungswand 7 ist an ihrer der Strahlung S zugewandten Oberfläche mit
einer Reflexionsschicht 19 versehen und verhindert somit praktisch jeglichen Wärmestrahlungsverlust
aus der Flüssigkeit F. Auf diese Weise wird nahezu die gesamte Wärmestrahlung des
Sonnenlichtes unmit-telbar in der FlUssigkeit F absorbiert. Die Flüssigkeit wird
erwärmt und durch ein nicht weiter dargestelltes Umwälzsystem einem Wärmeaustauscher
zugeführt, wo die Wärme weitergeleitet und gespeichert werden kann. Wesentlich ist,
daß dank der neuartigen Anordnung die Wärme strahlungsenergie des Sonnenlichtes
optimal ausgenutzt wird, was auf die direkte Absorption einerseits und die geringen
Verluste des Systems andererseits zurückgeführt wird.
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Fig. 3 zeigt eine besonders preiswerte Ausgestaltung eines Wärmeabsorptionselementes
20. Bei diesem Wärmeabsorptionselement werden ebenfalls drei Kammern 13, 15 und
17 gebildet, wobei die beiden äußeren Kammern 13 und 17 mit Luft gefüllte Isolationskammern
darstellen, während die mittlere Kammer 15 das flüssige Wärmeabsorptionsmedium enthält.
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Im Unterschied zum Element 10 bestehen die die Kammern begrenzenden
Schichten 21, 22, 24 und 26 aus biegsamen Kunststoffolien, wobei die beiden Schichten
21 und 22 einerseits und die Schichten 24 und 26 andererseits jeweils durch eine
Vielzahl von Streben 27 miteinander verbunden sind, die als Abstandshalter wirken
und den Kammern 13 und 17 eine flache Gestalt verleihen. Das ganze)aus den vier
Folienschichten bestehende System ist an einem starren Rahmen 29 aufgehängt, der
das Folienelement 20 umgibt.
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Die vordere Kammer 13 und die hintere Kammer 17 stehen in diesem Ausfiihrungsbeispiel
miteinander in Verbindung und sind mit Luft gefüllt. Die Luft in den beiden Kammern
steht un-ter einem gewissen tiberdruck, so daß das ganze Foliensystem aufgeblasen
ist. In der Innenkammer 15 befindet sich das Wärmeabsorptionsmedium. Die Anschlüsse
28 sind hierals Doppelschläuche ausgebildet, wobei der Innenschlauch die Verbindung
mit der Wärmeabsorptionskammer 15 herstellt, während der Ringraum zwischen dem Innenschlauch
und dem Außenschlauch einen Anschluß für die Aufblaskammern 13 und 17 darstellt.
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Zwar könnten diese Kammern ein für allemal aufgeblasen werden, doch
ergeben sich durch Temperaturunterschiede Veränderungen des Gaszustandes, was auf
eine Änderung der Dimension der Elemente 20 hinausläuft. Durch eine luftseitige
Verbindung der Kammern 13 und 17 aller Wärmeabsorptionselemente 20 kann über einen
Kompressor eine automatische Aufrechterhaltung des Druckes in diesen Kammern auch
bei erheblichen Temperaturunterschieden gewährleistet werden.
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Bei der Ausführung gemaß Fig. 3 sind wiederum mindestens die beiden
Folienschichten 21 und 22, die der Sonnenstrahlung zugewandt sind, aus transparentem
Mataial mit guter Durchlässigkeit für das Sonnenlicht hergestellt, während die Schicht
24 an ihrer der Kammer 15 zugewandten Seite vorzugsweise mit einer Reflexionsschicht
ausgestattet ist, die eine Durchdringung von Sonnenlichtstrahlen möglichst ausschließt.
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Die Wärmeabsorptionselemente 20 gemäß Fig. 3 sind mit geringen Kosten
herstellbar und können sehr leicht auch von ungelerntem Personal montiert werden,
da der schematisch veranschaulichte Rahmen 29 lediglich in vorher installierte Stützen
z.B. auf einem Hausdach eingelegt zu werden braucht.
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Die luft- und flüssigkeitsseitige Verbindung erfolgt über vorgefertigte
Doppelschlauchstücke. Auf diese Weise kann die gesamte Montage im do it yourself-Verfahren
n ausgeführt werden.
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Fig. 4 veranschaulicht eine Abwandlung eines Wärmeabsorptionselementes
30, bei dem eine Reihe Schläuche 31 vorgesehen ist, in denen die Kammern 15 zur
Aufnahme des Wärmeabsorptionsmittels gebildet sind. Jeweils zwei Schläuche 31 sind
von einem größeren Schlauch 32 umgeben. Der Querschnitt der Schläuche 31 und 32
ist angenähert elliptisch, wobei die Längsachse des elliptischen Querschnittes des
Schlauches 32 etwa doppelt so groß ist wie die Längsachse des Querschnittes des
Schlauches 31, so daß jeweils zwei Schläuche 31 an ihrer Berührungsstelle miteinander
verbunden werden können und an ihren gegenüberliegenden, d.h. voneinander abgevJandten
Mantellinien mit den Schlauch 32 verbunden, insbesondere verschweißt sind. Zwischen
den Schläuchen 31 und 32 werden somit Luftisolierkammern 33 gebildet. Zusätzlich
ist noch ein weiteres äußeres Schlauchsystem vorgesehen, das aus oberen Sdlauchwänden
34 und unteren Schlauchwänden 35 besteht, welche etwa die mittlerenMantellinien
benachbarter Schläuche 32 miteinander verbinden. Auch die zwischen den Schlauchwänden
34 und den Schläuchen 32 gebildeten Kammern 36 sind mit Luft gefüllt und stellen
Isolierkammern dar.
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Dies zu dem Zweck, um insbesondere an den Kontaktstellen benachbarter
Schläuche 32 eine genügende Isolation für das in den Kammern 15 strömende Wärmeabsorptionsmedium
zu schaffen.
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Auch bei der Ausführung gemäß Fig. 4 sind sämtliche Folienschichten,
die im Strahlungsweg der Sonnenstrahlung bis in
die Kammern 15
hinei4tiegen, aus transparentem, d.h. sonnenlichtdurchlässigem Material gefertigt.
Es kann sich hierbei um transparente Folien oder um halbstarres Material aber auch
um starre dünnwandige Kunststoffkörper handeln. Smtliche Schläuche 31 sind stirnseitig
mit Verzweigungskanëlen versehen, die ihrerseits die schon beschriebenen Anschlüsse
28 aufweisen. Das ganze Wärmeabsorptionselement 30 ist an einem starren Rahmen 29
aufgehängt wie dies in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben worden ist.
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Fig. 5 veanschaulicht eine Anlage, die aus einer Vielzahl von in uingsreihen
und Querreihen angeordneten Warmeabsorptionselementen 10 besteht, wobei alle Elemente
10 in einer Ebene angeordnet sind. Die Elemente sind in der einen Richtung strömungsmittelseitig
hintereinander und in der anderen Richtung parallel geschaltet. Es ergibt sich somit
nur eine Zuleitung 8 und eine Flüssigkeitsableitung 9.
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