DE4202202A1

DE4202202A1 - Mehrscheiben-gegenstrom-hochtemperatur-kasten-sonnenkollektor

Info

Publication number: DE4202202A1
Application number: DE4202202A
Authority: DE
Inventors: Karlfried Cost
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-01-28
Filing date: 1992-01-28
Publication date: 1993-07-29

Description

Gattung

Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor zur Luftanwärmung.

Angaben zur Gattung

Mit Hilfe der Sonnenstrahlen soll Luft erhitzt werden. Dabei werden die Sonnenstrahlen nicht auf einer einzigen Ebene absorbiert, sondern sie treffen auf eine teilweise lichtdurchlässige Einrichtung.

Stand der Technik

Es gibt eine sehr große Anzahl von Sonnenkollektorbauarten.

Kritik des Standes der Technik

Die herkömmlichen Sonnenkollektorbauarten sind von der Konstruktion oder von den Kosten für die Bauteile her zu teuer für den letztlich doch sehr einfachen Anwendungszweck, die Erzeugung von heißer Luft. Oder aber die Wärmeübertragungsfläche ist zu gering oder der Schutz gegen Wärmeverluste ist zu gering.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen, robusten Sonnenkollektor zur Luftanwärmung zu schaffen mit großer Wärmeübertragungsfläche vom Absorber an das Wärmeträgermedium Luft und mit geringen Wärmeverlusten an die Umgebung und das Ganze bei niedrigen Kosten.

Lösung

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß mehrere übereinanderliegende Schichten von Glasscheiben verwendet werden. Zwischen den Scheiben entstehen lufterfüllte Hohlräume. An den Rändern sind diese Hohlräume abgeschlossen. Untereinander stehen sie derart in Verbindung, daß die in den obersten Hohlraum von außen eintretende Luft diesen ganz durchströmen muß, dann in den nächst tieferen Hohlraum eintritt, diesen ganz durchströmt und sodann in den nächsttieferen Hohlraum gelangt und so fort.

Unter der untersten Glasscheibe befindet sich ein weiterer Hohlraum, dann folgt ein Absorber, darauf ein weiterer Hohlraum und ganz unten befindet sich eine Wärmedämmschicht.

Nachdem die Luft den untersten Hohlraum durchströmt hat, wird sie mittels eines Gebläses abgesaugt und als Heißluft ihrer Verwendung zugeführt.

Die Sonnenstrahlen treffen oben auf den Kollektor. Sie werden von den Glasscheiben teils absorbiert, teils durchgelassen. Der durchgelassene Anteil wird schließlich vom Absorber absorbiert. Die einströmende Luft nimmt zunächst von den äußeren Glasscheiben auf niedrigem und von den nächsten Glasscheiben auf mittlerem Temperaturniveau Energie auf und schließlich vom Absorber auf hohem Temperaturniveau. Die erhitzte Luft wird auf einem hohen Temperaturniveau aus dem Kollektor weggeführt.

Die Unterseite der obersten Scheibe sowie Ober- und Unterseite aller weiteren Scheiben stehen als Wärmeübertragungsfläche zur Verfügung ebenso wie die Oberseite und die Unterseite des Absorbers, der selbst auch noch oberflächenvergrößert sein kann, so daß die Wärmeübertragungsfläche insgesamt sehr groß ist.

Dadurch, daß insgesamt mehrere übereinanderliegende Scheiben zur Verfügung stehen, wird das heiße Kollektorinnere sehr gut gegen Energieverluste durch Wärmestrahlung oder Wärmeleitung geschützt.

Auch die Energieanteile, die aus dem heißen Kollektorinneren durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung in den Bereich der äußeren Scheiben gelangen, werden durch die im Gegenstrom einfließende Luft zum großen Teil wieder in das Kollektorinnere hineingetragen, so daß die Energieverluste des Kollektors sehr gering sind. Gleiches gilt für diejenigen Energieanteile des Sonnenlichtes, die in den Glasscheiben auf dem Weg von der äußeren Glasscheibe zum Absorber hin absorbiert werden.

Es muß darauf geachtet werden, daß der Luftstrom in der Breite gleichmäßig ist. Der Lufteinlaß in den Kollektor hinein, die Übergänge von einem Hohlraum zum nächsten und der Luftauslaß aus dem Kollektor heraus sollten deshalb so gestaltet sein, daß die Luft breitflächig, ungefähr gleichmäßig über die ganze Kollektorbreite, hindurchtritt. Die Durchlässe sollten deshalb praktisch die gesamte Breite des Kollektors einnehmen. Eine weitere Möglichkeit ist es, einen langen schmalen Streifen mit vielen kleinen Löchern neben der Glasscheibe anzubringen. Die Luft tritt durch die Löcher breit verteilt in den nächsttieferen Hohlraum nach unten hindurch.

Der Luftdurchlaß in und aus dem Kollektor und zwischen den einzelnen Hohlräumen hat einen über die Breite gleichmäßigen Strömungswiderstand.

Dieser Strömungswiderstand ist erheblich größer als der Strömungswiderstand im Hohlraum selbst. So ist die gleichmäßige Breitverteilung der Luft gewährleistet.

Der Absorber kann unterschiedlich ausgeführt sein, oberflächenvergrößert, insbesondere gewellt, als rotierender, luftdurchströmter Hohlkörper, oder als winkelverstellbare Streifen.

Nach Möglichkeit wird der Absorber sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite von der vorbeiströmenden Luft umspült.

Weitere Ausgestaltung der Erfindung

Die Glasscheiben können ganz oder teilweise durch Kunststoffolien ersetzt werden.

Die oberste Glasscheibe kann in den Abmessungen etwas größer als die anderen Scheiben gewählt werden, um den Kollektor vor Regen zu schützen.

Der Absorber kann auch flüssigkeitsgekühlt sein, so daß ein Teil der Energiemenge als heiße Flüssigkeit abgeführt werden kann, ein anderer Teil wie bisher als Heißluft. Für manche Zwecke (Heißwasserbereitung in Kombination mit Luftheizung) kann dies vorteilhaft sein.

Erzielbare Vorteile

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß man mit billigen Werkstoffen einen Kollektor bauen kann, der Luft auf eine hohe Temperatur erhitzt.

Durch das Zusammenwirken von mehrfacher Glasscheibenabdeckung und Gegenstromführung der Luft werden die Energieverluste, auch bei hoher Endtemperatur der Luft, gering gehalten.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung im Querschnitt dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Abfolge der Schichten von unten nach oben:
1. Untergrund
2. Wärmedämmschicht
3. Hohlraum
4. Absorber (z. B. gewellte Pappe)
5. Hohlraum
6. untere Glasscheibe
7. Hohlraum
8. mittlere Glasscheibe
9. Hohlraum
10. obere Glasscheibe.

Die weiteren Bezeichnungen:
11. Sonnenstrahlen
12. Rahmen, Seite 1
13. Rahmen, Seite 2
14. Luftführungskanal
15. Löcher
16. Schlitz.

Die Pfeile geben die Bewegungsrichtung der Luft an.

Seitlich ist der Kollektor in einen Holzrahmen einfaßt. Die unteren Scheiben und der Absorber stecken in Nuten im Holzrahmen.

Die obere Scheibe liegt auf dem Holzrahmen auf und überragt ihn nach allen Seiten etwas. Sie ist gleichzeitig mit ihren anderen Funktionen auch der Wetterschutz für den Kollektor.

Die Luft tritt durch viele kleine Bohrungen, die an einer Seite des Kollektor-Holzrahmens im Bereich des obersten Hohlraumes angebracht sind, in den Kollektor ein (dies ist Seite 1). Sie durchströmt den Hohlraum der Länge nach. Die mittlere Scheibe liegt an drei Seiten weitgehend luftdicht in Nuten. An der gegenüberliegenden Seite (diese wird Seite 2 genannt) ist ein kleiner Schlitz zwischen Glasscheibe und Holzwand freigelassen. Hier kann die Luft in den zweiten Hohlraum eintreten. Sie durchströmt auch diesen Hohlraum. Auf der gegenüberliegenden Seite (Seite 1) ist bei der unteren Scheibe ein Spalt zwischen Holzwand und Scheibe freigelassen. Hier kann die Luft in den darunterliegenden Hohlraum gelangen. Dort befindet sich der oberflächenvergrößerte Absorber. Die Oberflächenvergrößerung bewirkt einen besseren Wärmeübergang.

Die Luft strömt am Absorber entlang auch durch diesen Hohlraum hindurch. Auf der gegenüberliegenden Seite (Seite 2) gelangt die Luft durch einen kleinen Spalt zwischen Absorber und Holzrahmen in den darunterliegenden Hohlraum. Sie durchströmt auch diesen der Länge nach und berührt den Wellpappenabsorber an dessen Unterseite. Die Luft gelangt an die gegenüberliegende Seite (Seite 1) und dort tritt die Luft durch viele kleine Bohrungen im Holz, die über die ganze Kollektorbreite verteilt sind, aus dem Kollektor aus und in einen Luftführungskanal hinein, von wo aus sie mittels eines Sauggebläses abgeführt wird.

Die Sonnenstrahlen treffen oben auf den Kollektor auf. Sie werden von den Glasscheiben teils absorbiert, teils durchgelassen. Der durchgelassene Anteil wird schließlich vom Absorber absorbiert. Die einströmende Luft nimmt zunächst von den Glasscheiben auf niedrigem und mittlerem Temperaturniveau Energie auf und schließlich vom Absorber auf hohem Temperaturniveau. Die erhitzte Luft wird auf einem hohen Temperaturniveau aus dem Kollektor weggeführt.

Auch die Energieanteile, die aus dem heißen Kollektorinneren durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung in den Bereich der äußeren Scheiben gelangen, werden durch die im Gegenstrom einfließende Luft zum großen Teil wieder in das Kollektorinnere hineingetragen, so daß die Energieverluste des Kollektors sehr gering sind.

Claims

1. Mehrscheiben-Gegenstrom-Hochtemperatur-Kasten- Sonnenkollektor,
dadurch gekennzeichnet, daß der obere Bereich des Kollektors aus mehreren in geringem Abstand übereinanderliegenden Glasscheiben besteht,
und daß die dadurch entstehenden Hohlräume zwischen den Scheiben oben und unten durch die Scheiben, und an zwei gegenüberliegenden von den insgesamt vier restlichen Seiten durch ein Randstück luftdicht abgeschlossen sind,
und daß die Hohlräume des weiteren so verbunden sind, daß die Umgebungsluft in den obersten Hohlraum eintreten kann, diesen durchströmt, an der gegenüberliegenden Seite ist der oberste Hohlraum mit dem nächsttieferen so verbunden, daß die Luft in diesen unteren Hohlraum eintreten kann, aber nicht in die Umgebung austreten kann, daß die Luft auch diesen Hohlraum durchströmt und am Ende in den nächsttieferen Hohlraum eintritt,
und daß sich unterhalb der untersten Scheibe ein weiterer Hohlraum befindet, der oben durch die Scheibe, unten durch eine Wärmedämmschicht und an zwei gegenüberliegenden Seiten durch ein Randstück luftdicht abgeschlossen ist, und daß sich in diesem unteren Hohlraum ein Absorber befindet,
und daß dieser unterste Hohlraum zuletzt von der einfließenden Luft durchströmt wird, und daß an der dem Lufteinlaß gegenüberliegenden Seite über die ganze Breite ein Luftauslaß vorhanden ist, der in einen Luftführungskanal mündet, von dem aus die Luft mittels eines Sauggebläses abgesaugt wird
und daß die Sonnenstrahlen von oben nacheinander auf die Glasscheiben auftreffen und in jeder Glasscheibe teilweise absorbiert und teilweise durchgelassen werden und der Rest der Sonnenstrahlen vom Absorber im untersten Hohlraum absorbiert wird,
und daß die einströmende Luft die Wärmeenergie von den Glasplatten und dem Absorber weitgehend entzieht und mit der erhitzten Luft wird diese Energie als Nutzenergie aus dem Kollektor abgeführt.

2. Mehrscheiben-Gegenstrom-Hochtemperatur-Kasten- Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im untersten Hohlraum sich ein flüssigkeitsdurchströmter Absorber befindet, insbesondere flüssigkeitsdurchflossene Platten oder Rohre, so daß ein Teil der Energie nicht als Heißluft, sondern als heiße Flüssigkeit aus dem Kollektor abgezogen wird. Dieser Absorber kann oberflächenvergößert sein, um von der vorbeiströmenden Heißluft verstärkt Wärmeenergie abziehen zu können.

3. Mehrscheiben-Gegenstrom-Hochtemperatur-Kasten- Sonnenkollektor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssigkeitsdurchströmte Absorber oberflächenvergrößert ist, so daß der Wärmeübergang von der Heißluft verbessert ist und ein größerer Anteil der Energie als heiße Flüssigkeit entzogen werden kann.

4. Mehrscheiben-Gegenstrom-Hochtemperatur-Kasten- Sonnenkollektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der seitliche Abschluß der Hohlräume durch einen gemeinsamen vierseitigen Rahmen erfolgt, und daß der Lufteinlaß in die obersten Hohlraum durch eine Vielzahl von kleinen Löchern erfolgt, die über die ganze Breite einer Rahmenseite im Bereich des Hohlraums verteilt sind,
und daß die Verbindung zum darunterliegenden Hohlraum durch einen kleinen Spalt geschieht zwischen der trennenden Glasscheibe und dem Rahmen auf der Seite, die dem Lufteinlaß gegenüberliegt,
und daß der Luftauslaß aus dem untersten Hohlraum ebenfalls durch eine Vielzahl von kleinen Löchern erfolgt, die an einer Seite über die ganze Breite des Rahmens im Bereich des Hohlraums verteilt sind.

5. Mehrscheiben-Gegenstrom-Hochtemperatur-Kasten- Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lufteinlässe, Luftdurchlässe und Luftauslässe über die ganze Breite oder zumindest fast die ganze Breite des Kollektors gehen und einen über die Breite gleichmäßigen und gegenüber den Hohlräumen deutlich höheren Strömungswiderstand aufweisen, so daß gewährleistet ist, daß die durch das Sauggebläse verursachte Luftströmung in der Breite gleichmäßig ist und jede Stelle der Glasscheiben und des Absorbers gleichmäßig mit Luft bestrichen wird.

6. Mehrscheiben-Gegenstrom-Hochtemperatur-Kasten- Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der seitliche luftdichte Abschluß der Scheiben durch Randstreifen erfolgt, insbesondere Streifen aus wärmedämmenden Material (z. B. Pappe), die am seitlichen Rand zwischen die Scheiben gelegt werden.

7. Mehrscheiben-Gegenstrom-Hochtemperatur-Kasten- Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftabsaugung nicht kontinuierlich erfolgt, sondern pulsierend. Ehe sich die Konvektion innerhalb der Hohlräume ausbilden kann, und somit die Energieverluste ansteigen, wird die Luft in sehr kurzer Zeit aus einem Hohlraum vollständig abgesaugt und gelangt in den nächsttieferen Hohlraum. Darauf erfolgt dann wieder eine kurze Pause in der Luftabsaugung. Deshalb die pulsierende Luftabsaugung.