DE2804746C2 - Sonnenkollektor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sonnenkollektor, bestehend aus einem vakuumdichten Gehäuse, das wenigstens teilweise lichtdurchlässig ist, aus einem in dem Gehäuse untergebrachten Absorber, der einen aufzuheizenden Wärmeträger enthält, der seine Wärme an einen Verbraucher abgibt und aus einer an den Innenraum des Gehäuses angeschlossenen Vakuumpumpe zur Anlegung eines der Wärmeisolierung für den Absorber dienenden Vakuums.

Sonnenkollektoren dienen zur Umwandlung von Sonnenenergie in andere Energieformen, z. B. Wärme zur Warmwassergewinnung bzw. zur Energieerzeugung. Es sind bereits vielfältige Versuche unternommen worden, Sonnenkollektoren so auszubilden, daß sie mit zufriedenstellendem Wirkungsgrad gedrängte Bauform erhalten, so daß sie als Energiequelle für Wohnhäuser geeignet sind. Dies hat jedoch bisher nicht zu dem gewünschten Erfolg geführt. Bekannte Sonnenkollektoren bestehen aus einem als kastenförmiges Blechgehäuse ausgebildeten Bodenteil, dessen obere öffnung durch eine Glasplatte verschlossen ist. In das Blechgehäuse ist ein Absorber eingesetzt und zwischen Absorber und Boden des Blechgehäuses befindet sich Isolationsmaterial, z. B. Styropor, Glaswolle oder dergleichen. Derartige Kollektoren werden als Einscheiben-Einfachkollektoren bezeichnet. Für die Verwendung auf Wohnhäusern und dergleichen sind sie ungeeignet, weil ihre Bauhöhe aufgrund der Isolationspackungen, die eine Wärmeableitung nach unten verhindern sollen, recht hoch ist und sich ohne Einbuße an Isolation auch nicht verringern läßt.

Ein weiterer unter dem Namen Zweischeibenkoliektor bekannter Sonnenkollektor ist hinsichtlich des kastenförmigen Blechgehäuses und der erforderlichen dikken Isolationspackung entsprechend dem Einscheiben-Einfachkollektor aufgebaut, jedoch mit zwei gläsernen Deckplatten versehen. Die beiden Deckplatten sind mit Abstand übereinander angebracht und das zwischen ihnen vorhandene Luftpolster soll den Grad des Wärmeverlustes vom Absorber nach oben verringern, um eine bessere Wärmespeicherung im Absorber zu erzielen, wenn die Sonneneinstrahlung nachläßt. Dieser Zweischeibenkollektor hat die gleichen Nachteile wie der Einscheiben-Einfachkollektor.

Bei derartigen Sonnenkollektoren ist es wichtig, daß die Luft in dem Raum zwischen der Scheibe und dem Absorber trocken ist. Zu diesem Zweck ist es bei einem Sonnenkollektor, bei dem der Luftdruck in dem Raum gleich groß ist wie derjenige in der Umgebung der Vorrichtung, bekannt (DE-OS 25 52 222), eine mit wasserentziehendem Stoff gefüllte Zelle einerseits mit dem Inneren des Raumes und andererseits mit der Umgebung der Vorrichtung zu verbinden und an dem Raum ein Ventil anzuordnen, über das die in dem Raum erwärmte Luft in die Umgebung abströmen kann, während mit der Zelle ein weiteres Ventil verbunden ist, welches die kalte Luft, die nach Abkühlung des Raumes

ίο in diese eintritt, durch die Zelle hindurchströmen läßt Dieser Sonnenkollektor arbeitet ohne Wärmeisolierung des Innenraumes des Gehäuses, und sein Wirkungsgrad ist entsprechend gering.

Ferner ist es, wie eingangs erwähnt, bekannt, zur Wärmeisolierung des Absorbers den Innenraum des Gehäuses zu evakuieren (US 39 16 871). Das Vakuum wird dabei konstantgehalten, indem die Vakuumpumpe immer dann einschaltet, wenn ein Wert von 1 mmHg im Innenraum des Gehäuses unterschritten wird. Es erschien also unumgänglich notwendig, das Vakuum ggf. durch Nachevakuieren möglichst konstant aufrechtzuerhalten, um einen guten Wirkungsgrad des Sonnenkollektors zu gewährleisten. Wenn jedoch der Wärmeträger mit hoher Temperatur vollgeladen ist, besteht die Gefahr, daß er zu sieden beginnt. Es wird dann ein Betriebszustand heraufbeschworen, bei dem durch Dampf sehr hohe Drücke in dem Absorber auftreten, welche zu einer Zerstörung von Bauteilen des Sonnenkollektors führen können.

Daß ein konstantes Vakuum beim Betrieb eines Sonnenkollektors vorteilhaft sei, lehrt auch ein anderer Sonnenkollektor (DE-OS 26 01 976), bei dem zur Konstanthaltung des Vakuums chemische Getter benutzt werden. Zur Vermeidung von Überhitzung ist ein Radiator vorgesehen. Dieser verteuert jedoch den Sonnenkollektor und erhöht seinen Platzbedarf. Beides ist unerwünscht.

Im Zusammenhang mit der Steuerung der Temperatur elektrischer Bauteile in Raumfahrzeugen sind ein

Verfahren und eine Vorrichtung zur Änderung der Wärmeleitfänigkeit bekannt, die mit der Änderung von Gasdruck arbeiten (US 32 70 802). Der Betrieb einer elektronischen Vorrichtung erzeugt Wärme, die immer durch eine mit Isolierstoff gefüllte Hohlwand eines die Vorrichtung umschließenden Gehäuses an die Umgebung abgegeben wird. Zur Verhinderung eines unzulässigen Temperaturanstieges in der Vorrichtung soll verstärkt Wärme von den elektronischen Bauteilen abgeführt werden. Zu diesem Zweck wird die Wärmeströmungsrate durch Steigerung der Wärmeleitfähigkeit der isolierten Hohlwand vergrößert, indem der Druck eines Gases in den Zwischenräumen des Isolierstoffes in Abhängigkeit von der Temperatur der Vorrichtung erhöht wird. Ein kompliziertes Steuersystem regelt dauernd den Druck in dem Gehäusewandhohlraum auf unterschiedlichste Werte, um den Grad der immer vorhandenen Wärmetransporteigenschaft durch die Gehäusewand in gewünschter Weise zu regulieren. Während bei der bekannten, in einem Raumfahrzeug benutzten Einrichtung die die elektronische Vorrichtung umgebende isolierte Hohlwand immer Wärme nach außen durchläßt und die Wärmetransporteigenschaft der Isolierung verbessert, d. h. die Isolationswirkung verschlechtert werden soll, ist der Leitgedanke bei der Konstruktion eines Sonnenkollektors, daß der Absorber in dem Gehäuse optimal isoliert werden muß, damit die einstrahlende Wärme möglichst verlustlos an das Wärmeträgermedium und damit an den Verbraucher abgegeben wird

und der Wirkungsgrad des Sonnenkollektors hoch ist

Ausgehend von einem Sonnenkollektor mit vakuumisoliertem Absorber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diesen so zu betreiben, daß der Sonnenkollektor einen optimalen Wirkungsgrad erbringt und gegen Beschädigungen durch einen überhitzten Wärmeträger auf einfache Weise geschützt wei cfcn kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Erreichen einer vorgegebenen Temperatur des Wärmeträgers eine Abschaltung der Vakuumpumpe und eine Belüftung des Innenraumes des Gehäuses erfolgen.

Auf diese Weise wird erreicht, daß der Absorber im Normalbetrieb optima! vakuumisoliert ist und nur bei Oberhitzungsgefahr die Isolierung vollkommen auf gehoben und maximaler Wärmetransport aus dem Gehäuse ermöglicht wird. Die hierdurch bewirkte Vermeidung des Siedens des im Absorber enthaltenen Wärmeträgers hat nicht nur eine Verhinderung der Beschädigung von Bauteilen des Sonnenkollektors durch überhitzten Wärmeträger zur Folge, sondern außerdem den überraschenden und ökonomisch außerordentlich wichtigen Effekt, daß es möglich ist, den Absorber aus preiswertem Material herzustellen, weil er keinen übermäßigen Beanspruchungen durch zu hohe Temperatureinflüsse mehr standhalten muß.

Durch Abschaltung der Vakuumpumpe und Belüftung des Innenraumes des Gehäuses wird das Vakuum schlagartig aufgehoben und in dem Gehäuse wird Atmosphärendruck hergestellt, wodurch der Wirkungsgrad des Sonnenkollektors plötzlich so weit reduzim wird, daß ein Sieden des im Absorber enthaltenen Wärmeträgers vermieden wird. Auf sehr einfache und wirkungsvolle Weise wird durch plötzliche Verwandlung eines thermisch hoch isolierenden Sonnenkollektors optimalen Wirkungsgrades in einen thermisch schlecht isolierenden Sonnenkollektor verringerten Wirkungsgrades eine Begrenzung der Temperatur des Wärmeträgers erreicht und damit eine Beschädigung von Bauteilen durch überhitzten Wärmeträger vermieden. Sobald wegen verringerter Sonneneinstrahlung oder erhöhten Wärmebedarfes des Verbrauchers wieder eine bessere Isolation des Sonnenkollektors erforderlich ist, wird die Belüftung des Innenraumes des Gehäuses unterbrochen, die Vakuumpumpe wird wieder in Betrieb gesetzt und der Innenraum des Gehäuses auf den gewünschten Wert evakuiert. Durch Anlegung des Vakuums bzw. Aufhebung des Vakuums und Belüftung ergibt sich eine gefahrlose optimale Ausnutzung der Kapazität des Sonnenkollektors und eine Leistungssteigerung im Vergleich zu bekannten Sonnenkollektoren. Durch die Möglichkeit der abrupten Änderung der Charakteristika des Sonnenkollektors sind die Betriebsverluste außerordentlich gering.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines zweckmäßig gestalteten Sonnenkollektors dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf eine schalenförmige Bodenplatte,

F i g. 2 eine Draufsicht auf eine ebenfalls schalenförmige Deckplatte,

Fig.3 einen Längsschnitt des aus schalenförmiger Bodenplatte utid schalenförmiger Deckplatte zusammengesetzten Sonnenkollektors,

Fig.4 einen Querschnitt des Sonnenkollektors nach F i g. 3 längs der Linie IV-IV und

Fig.5 einen Querschnitt der Bodenplatte längs der Linie V-V in F ig. 3.

Eine Bodenplatte 1 aus Glas, vorzugsweise Acrylglas, oder aus Metall ist im wesentlichen rechteckig gestaltet und schalenförmig ausgebildet. Die Schalenform ist flach gehalten. In dem Rand der Bodenplatte 1 ist eine Umfangsnut 2 ausgebildet Ferner -veist der Rand eine Auflagekante 3 auf, die an den Ecken 4 zur Erleichterung der Montage des Sonnenkollektors herausgezogen ist Auf der Unterseite ist der Auflagerand zur Bildung einer Auflagekante 5 krümmungsfrei gerade ausgebildet (F i g. 3 bis 5). Zur Ermöglichung der Verwendung einer möglichst dünnwandigen Schale für die Bodenplatte ist diese zweckmäßig auf der Innenfläche durch querverlaufende Rippen 6 verstärkt An dem einen Ende der Bodenplatte ist in einem verdickten Teil 7 eine Öffnung 8 ausgebildet während am anderen Ende der Bodenplatte in einem breiteren verdickten Teil 9 zwei öffnungen 10 und 11 vorgesehen sind. Durch die öffnung 8 ist der Ablauf eines in die schalenförmige Bodenplatte 1 eingesetzten Absorbers 12 herausgeführt Die Öffnung 10 dient dem Durchlaß eines Zulaufes zu dem Absorber 12. An die öffnung 11 ist eine der Deutlichkeit halber nicht gezeigte Vakuumpumpe angeschlossen.

Bei Herstellung der Bodenplatte 1 aus Glas oder Acrylglas ist es zur Erhöhung des Reflexionsvermögens zweckmäßig, sie auf der Innenfläche mit einer Verspiegelung 17 zu versehen (F i g. 3 bis 5). Bei Ausbildung der Bodenplatte 1 aus Metall genügt es, die Innenfläche glatt zu schleifen.

Die Deckplatte 13 ist entsprechend der Bodenplatte 1 geformt (F i g. 2). Auch sie ist rechteckig, flach schalenförmig und durch Querrippen 14 verstärkt. An ihrem Rand 15 befindet sich eine durchgehende Umfangsrippe 16, die in die Umfangsnut 2 der Bodenplatte 1 paßt. Beim Zusammenfügen der beiden Platten 1 und 13 greift die Umfangsrippe 16 in die Umfangsnut 2 ein. Zur Erzielung einer vakuumdichten Verbindung der beiden Platten 1 und 13 können die zusammengreifenden Umfangsteile 2 und 16 miteinander verklebt sein.

Der als flacher Hohlkörper gestaltete Sonnenkollektor wird im belüfteten Zustand angeliefert und montiert.

Nach Anschluß der Vakuumpumpe an die Öffnung 11 ist eine beliebige Evakuierung des Sonnenkollektors zu jeder gewünschten Zeit möglich. Durch Aufheben oder Anlegen des Vakuums ist daher der Wirkungsgrad des Sonnenkollektors steuerbar und Implosionsgefahr besteht praktisch nicht.

Das Vakuum in dem vakuumdicht verschlossenen Behälter umgibt den Absorber 12 im wesentlichen allseitig und isoliert ihn allseitig. Weder nach oben noch nach unten oder nach den Seiten treten Wärmeverluste des Absorbers 12 ein. Sein Wirkungsgrad wird hierdurch erheblich verbessert, zumal durch den flachen Aufbau des Kollektors keinerlei Randüberschattungen des Absorbers auch bei schrägem Einfall der Sonnenstrahlen auftreten. Wenn die Erwärmung des Absorbers 12 aufgrund seines guten Wirkungsgrades zu groß wird, z. B. im Sommer, wird das Kollektorgehäuse belüftet, die Isolation des Absorbers entfällt und seine ÜberschuQwärme wird an die Atmosphäre abgegeben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Sonnenkollektor bestehend aus einem vakuumdichten Gehäuse, das wenigstens teilweise lichtdurchlässig ist, aus einem in dem Gehäuse untergebrachten Absorber, der einen aufzuheizenden Wärmeträger enthält, der seine Wärme an einen Verbraucher abgibt und aus einer an den Innenraum des Gehäuses angeschlossenen Vakuumpumpe zur Anlegung eines der Wärmeisolierung für den Absorber dienenden Vakuums, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen einer vorgegebenen Temperatur des Wärmeträger eine Abschaltung der Vakuumpumpe und eine Belüftung des Innenraumes des Gehäuses erfolgen.