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Sonnenkraftanlage Die Erfindung betrifft eine Sonnenkraftanlage mit
einem unter Unterdruck stehenden, der Sonnenstrahlung ausgesetzten Verdampfungsbehälter
und einer diesen mit einem Kondensator verbindenden Leiturig, in welche eine Dampfkraftmaschine
eingeschaltet ist. Der sich unter dem Einfuß der Strahlung entwickelnde Dampf strömt
durch die Leitung &r Kraftmaschine zum Kondensator und wird dort niedergeschlagen.
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Eine derartige Sonnenkraftanlage ist bekannt.' Sie befin=det sich
außer Betrieb, wenn die Bestrahlung des Verdampfungsbehälters unterbrochen ist,
z. B. bei Nacht.
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Der ;Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kraftanlage so auszugestalten,
.daß sie ' nicht nur die Energie der den Verdampfungsbehälter treffenden Sonnenstrahlung
bei Tage, sondern auch bei Nacht die Wärme eines zusätzlichen Wärmespeichers ausnutzen
kann, der durch- . Sonnenbestrahlung erwärmt worden ist oder aus anderen Gründen
eine höhere Temperatur aufweist.
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Erfindungsgemäß ist zu diesem Zweck der Verdampfungsbehälter durch
eine Leitung mit einem tiefer gelegenen, unter atmosphärischem Druck stehenden Speicher
verbunden, wobei der Höhenunterschied zwischen dem im Behälter und., dem im Speicher
-befindlichen Wasserspiegel dem, izn Verdampfungsbehälter herrschenden. Unterdruck
entspricht. Die Leitung wirkt also als Heberleitung und führt dem Verdampfungsbehälter
aus dem Speicher laufend Wasser zu; um das verdampfte Wasser zu ersetzen.
Wähnend
beä der bekannten Sonnenkraftanlage das im Kondensator ,niedergeschlagene Wasser
in den Verdampfungsb:ehälter zurückgepumpt wird, ist erfindungsgemäß der Kondensator
zweckmäßig ,durch eine Abflußleitung mit einem unter atmosphärischem Druck, stehenden
Sammelhehälter verbunden, dessen Flüssigkeitsspiegel um eine dem im Kondensator
herrschendenUnterdruck entsprechende Höhendifferenz unterhalb des Kondensatorwasserspisegels
gelegen ist. Das bietet den Vorteil, da.ß das kalte Kondensat sich im Sammelbehälter
erwärmen kann und nicht unmittelbar in den Verdampfungsbehälter zurückläuft und
dort die dort herrschende Temperatur entsprechend herabdrückt, wie es bei der bekannten
Anlage der Fall ist.
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Ferner empfiehlt es sich, zwischen dem Speicherbehälter und dem Verdampfungsbehälter
eine in sich geschlossene, 'mit Flüssigkeit gefüllte Leitung anzuordnen, die sowohl
im Verdampfungsbehälter als auch im Speicherbehälter mit einem Wärmeaustauscher
-und in dem einen Leitungsteil zwischen den Behältern mit einem Rückschlagventil
versehen ist. Das bietet den Vorteil, daß, wenn der Speicherinhalt eine höhere Temperatur
als der Verdampfungsbehälter aufweist, -ein stärkerer Wärme-Ruß vom Speicher zum
Verdampfungsbehälter stattfindet, als @es ohne diese Ausgestaltung möglich wäre.
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Während bei der bekannten Anlage der Verdampfungsbehälter aus einem
flächen Gehäuse besteht, dessen geneigte Vorderseite von Glasplatten gebildet wird,
besteht erfindungsgemäß der Verdampfungsbehälter aus einem Becken, das durch eine
Kuppel abgedeckt ist, die aus ebenen, gegeneinander abgedichteten Glasscheiben zusammengesetzt
18t.
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Schließlich besteht ein weiteres Merkmal der Erfindung darin, daß
die Dampfkraftmaschine als Turbine mit angekuppeltem Generator ausgebildet ist,
wobei der Generator als Motor und die Turbine als Gebläse betrieben werden kann,
-um -die Anlage in Gang zu bringen und zu diesem Zweck den Verdampfungsbehälber
unter Unterdruck zu setzen.
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Die Erfindung bietet nicht nur den Vorteil, daß die in dem Speicher
befindliche Wärme ausgenutzt werden kann, um die Sonnenkraftanlage auch nachts in
Betrieb zu halten, sondern sie macht die Sonnenkraftanlage für weitere Zwecke nutzbar:
Enthält der Wärmespeicher Meerwässer, so gewinnt man im Verdampfungsbehälter die
im Meerwasser enthaltenen Salze und gewinnt außerdem in Gestalt des Kondensates
destilliertes Wasser, das man für beliebige Zwecke verwenden kann, weil es nicht
ivie bei der bekannten Anlage in den Verdampfungsbehälter zurückläuft. Da der Kondensator
wesentlich höher angeordnet werden kann als der Verdampfungsbehälter, kann man das
Kondensat beispielsweise benutzen, um Wasserkraftanlagen zu betreiben, oder zur
Trinkwasserversorgung höher gelegener Orte.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung wiedergegeben.
Es zeigt Fig. i die Sonnenkraftanlage, deren einzelne Aggregate im Schnitt dargestellt
sind, Fig. z einen vergrößerten Teilschnitt eines Schwimmerventils, dass hei -der
Anlage nach Fig. i Verwendung finden kann, und -Fig. 3 eine in kleinerem Maßstab
gehaltene Seitenansicht des Verdampfungsbehälters und des Wärmespeichers mit der
Wärmeaustauschleitung.
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Der Verdanpfungsbehälter 5 der Sonnenkraftanlage besteht aus einem
runden Betonbecken 17, das einen trichterförmigen Boden i9 und einen zylindrischen
Rand 18 hat und eine kugelförmige Glaskuppel trägt. Diese Kuppel besteht am besten
aus ebenen Glasscheiben 2o, die mit Hilfe elastischer Dichtungen 2o" luftdicht :eingerahmt
sind und deren Außenflächen in der bei fotografischen Linsen üblichen Weise mit
einer hauchdünnen Belegung versehen sein können, welche die Zurückspiegelung des
Sonnenlichtes verringert und daher die Durchlässigkeit für den gesamten Wellenbereich
der Sonnenstrahlung erhöht. Bewährt haben sich dafür gewisse Nitride.
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Unter dem Einfluß der Strahlen findet an dem verhältnismäßig großen
Wasserspiegel 22, dessen Fläche sich annähernd auf 4500m2 belaufen kann, eine starke
Verdampfung des Wassers statt. Diese wird dadurch unterstützt, daß der Innenraum
2 i unter Unterdruck gehalten wird. Der erzeugte Dampf durchströmt eine aufwärts
führende Fernleitung 9, die mit einer wärmedämmenden Umkleidung und mit Kondensattöpfen
9" versehen sein kann und zu einer höher gelegenen turboelektrischen Kraftanlage
führt. Diese besteht aus einer Turbine i o, die über eine Welle 24 einen Stromerzeuger
i i antreibt. Von dort fließt der völlig entspannte Dampf einem Kondensator 12 zu,
in welchem er niedergeschlagen wird. Diesem Zweck dient eine Kühlschlange
26, die mittels einer Pumpe 27 mit einem Kühlmittel gespeist wird.
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Der Unterdruck im Kondensator wird durch eine Saugpumpe 28 aufrechterhalten.
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Das Kondensat läuft durch eine abwärts gerichtete Abflußleitung 13
in einen Sammelbehälter 14. Der Flüssigkeitsspiegel dieses Sammelbehälters liegt
wesentlich tiefer als derjenige des Kondensators. Die Höhendifferenz entspricht
dein im Kondensator herrschenden Unterdruck.
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Das Kondensat stellt ein wertvolles Nebenprodukt der Sonnenkraftanlage
dar. Da die Dampffernleitung 9 in große Höhen führen kann, ist auch der Sammelbehälter
14 sehr hoch gelegen. Das Kondensat kann daher zur Trinkwasserversorgung hoch gelegener
Städte dienen. Man kann aber auch eine Wasserkraftanlage damit betreiben.
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Um das im Verdampfungsbehälter 5 verdampfende Wasser zu ersetzen,
ist der Verdampfungsbehälter 5 durch eine Leitung 6 mit einem tiefer gelegenen,
unter atmosphärischem Druck stehenden Speicher 7 verbunden, wobei der Höhenunterschied
zwischen dem im Behälter 5 und dem im Speicher 7 befindlichen Wasserspiegel dem
im Raum 21 herrschenden Unterdruck entspricht. Bei dem WassersPeicher 7 kann es
sich beispielsweise um ein Meereswasserbecken handeln; dessen Inhalt den Tag über
durch Sonnenbestrahlung erwärmt wird. Diese
Wärme kann dann nachts
dem Verdampfungshehälter mit Hilfe der in Fig.3 gezeigten. Kreislaufleitung 8 zugeführt
werden. In diese Leitung, die mit Flüssigkeit gefüllt isst, ist ein Rückschlagventil
23 eingeschaltet. Sowohl im Verdampfungsbehälter 5 als auch im Speicherbehälter
7 ist die Kreislaufleitung mit einem Wärmeaustauscher 8" versehen. Wenn nachts die
Temperatur im Verdampfungsbehälter 5 unter die Temperatur des Speichers 7 sinkt,
dann bewirkt der Wärmeauftrieb einen Kreislauf des Wassers, das beim Durchströmen
des unteren. Wärmeaustauschers Wärme aufnimmt und diese beim Durchströmen des oberen
Wärmeaustauschers an das im Becken 17 befindliche Wasser abgibt und dort die Verdampfung
steigert.
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Die Entlüftungseinrichtungen 15 dienen dem Zweck, Luft- oder Gasblasen
zu entfernen, die aus dem in der Heberleitung 6 aufwärts fließenden Wasser austreten
können. Diesem Zweck dienen mehrere glockenartige Erweiterungen 29 der Heberleitung.
In diesen Glocken 29 werden die etwa frei werdenden Gase fortschreitend aufgefangen
und dann durch eine Saugpumpe 3o abgezogen. Wie Fig. 2 zeigt, kann jede Glocke 29
mit einem Schwimmerventil 29" versehen werden, das sieh bei steigendem Flüssigkeitsspiegel
in der Glocke 29 von selbst schließt und verhindert, .daß die Flüssigkeit etwa durch
die Entlüftungsleitung 15 abgesaugt wird.
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Infolge der Verdampfung reichern sich in dem Kessel die in dem Wasser
enthaltenen Bestandteile an und können als Rückstand von Zeit zu Zeit durch den
Auslaß 16 abgezogen werden, indem man das in der Abzugsleitung vorhandene Ventil
31 öffnet. Der Rückstand kann wertvolle Nebenerzeugnisse enthalten, die man reinigen
und/oder voneinander trennen kann. Auch kann die Auslaßleitung 16 bis zu einem Tank
16" verlängert werden, der den Rückstand aufnimmt.
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Die Wirkungsweise der Sonnenkraftanlage ist folgende: Um die Anlage
in Betrieb zu setzen, schließt man das Ventil31 und setzt den Stromerzeuger i i
als Elektromotor in Gang, der dann seinerseits die Turbine io als Gebläse betreibt.
Dieses Gebläse saugt die Luft aus dem Kessel 5 ab und erzeugt in diesem einen gewissen
Unterdruck, so daß das Wasser aus dem Behälter 7 durch den Heber 6 angesaugt wird
und in das Becken 17 strömt. Gleichzeitig wird die Entlüftungspumpe 28 in. Gang
gesetzt, tun den Kondensator 12 luftleer zu pumpen und alsdann unter selbsttätiger
Regelung die Wasserspiegel im Kessel 5 und im Kondensatoz 12 in der gewünschten
Höhe zu halten. Die Pumpe 3o wird in Betrieb gesetzt, sobald die Flüssigkeit im
Heber 6 zu fließen beginnt. Unter dem Einfluß der Sonnenbestrahlung oder der durch
den Kreislauf 8 übertragenen Wärme beginnt die Flüssigkeit- im Kessel zu verdampfen,
wobei die Verdampfung durch den Unterdruck in der Kammer 21 unterstützt wird. Gleichzeitig
wird die Kühlschlange 26 des Kondensators mit kaltem Wasser gespeist.
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Da ,dem im Kessel 6 befindlichen Wasser die Verdampfungswärme entzogen
wird, sinkt die Tempera:tur des Wassers. Durch dieses Sinken wird der Kreislauf
in der Ringleitung 8 des Wärmeaustauschers angeregt, wodurch die Wärme dem Speicherbehälter
7 entzogen wird. Es finden also zwei Wärmeströmungen statt, nämlich zunächst eine
Wärmeströmung aus dem Speicherbehälter zum Kessel und sodann eine weitere Wärmeströmung
durch die Glasscheiben 2o hindurch mittels der Sonnenstrahlen. Diese Wärme wird
von dem im Kessel befindlichen Wasser aus auf den Dampf übertragen, und sie bildet
dann den Wärmeinhalt des Dampfes.
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Der erhitzte Dampf fließt mit hoher Geschwindigkeit durch die Leitung
9 zur Turbine i o und treibt diese an, die dann ihrerseits den Stromerzeuger i i
antreibt. Der Kondensator 12 schlägt dann den Dampf nieder und nimmt die verbleibende
Wärme des Dampfes auf. -Beschickt man den Kessel 5 mit Salzwasser, so reichert sich
nach einer gewissen Betriebszeit das Salz und gegebenenfalls andere Bestandteile
so stark an, daß es sich empfiehlt, das Wasser durch die Leitung 16 abzuziehen.
Das kann geschehen, ohne daß man hierzu die. Verdampfung unterbrechen müßte, sofern
der Tank 16a mit seinem Wasserspiegel wesentlich tiefer .angeordnet wird als der
Wasserspiegel im Speicherbehälter 7.
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Die folgende " Aufstellung gibt die Betriebsdaten der Anlage wieder,
die sich bei Tag- und erreichen lassen:
| =o Uh nachts |
| vormittags |
| Temperatur des Meer- |
| wassers . . . . . . . . . . . . 24° C i8° C |
| Innentemperatur des |
| Kessels . . . . . . . . . . . 53°C i6° C |
| Unterdruck im Kessel.. 724 mm 756 mm |
| . Quecksilber- Quecksilber- |
| säule Säule |
| Verdampfungsgeschwin- |
| digkeit pro Quadrat- |
| meter ............. i,ii kg/Std. o,255 kg/Std. |
| Kondensatortemperatur 27° C io° C |
| Umlaufende Flüssigkeits- |
| menge in der Ring- |
| richtung . . . . . . . . . . . 12 kg/Std. ' 24 kg/Std. |
| Turbinenwirkungsgrad . 970/0 9004 |
Abweichungen von diesen Zahlen, die sich gegebenenfalls einstellen, sind lediglich
auf den Wirkungsgrad der Maschine zurückzuführen, nicht aber auf ihre Arbeitsweise.
Jedenfalls ist anzunehmen, daß das Verhältnis des Nachtbetriebes zum Tagbetrieb
nicht 4 : 1 überschreitet.
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Die beschriebene Anlage läßt sich für zahlreiche Zwecke als Kühlänlage
verwenden. Für diesen Zweck kann die Anlage wesentlich kleiner ausgestaltet werden
als beschrieben. Wenn man die Scheiben 2o gegen Sonnenlicht abschirmt, z. B. duzch
verschiehbaare Schirme 2o", oder die Anlage
bei Nacht betreibt und
wenn man den Stromerzeuger als Motor laufen läßt, um in der Leitung 9 und der Kammer
21 .des Kessels Unterdruck zu erzeugen, so führt die rasche Verdampfung des Wassers
im Kessel zu einer erheblichen Verminderung der Temperatur des Wassers. Diese niedrige
Temperatur läßt sich zur Kühlung des Wassers im Behälter 7 verwenden, und das Wasser
dieses Behälters kann dann Kühlzwecken dienen. Zur Verstärkung der Kühlwirkung kann
man den Wärmeaustauschkreislauf zwischen dem Wasser im Kessel und dem Wasser im
Speicherbehälter 7 mit Rippen 8" versehen, die den Wärmeaustausch zwischen dem Wasser
im Kreislauf und dem Wasser im Speicherbehälter 7 verbessern.