AT391205B - Sonnenwaermekollektor - Google Patents

Description

Nr. 391 205

Die Erfindung betrifft einen Sonnenwärmekollektor mit einer langgestreckten, konkaven Reflexionsfläche von im wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt, einer in Längsrichtung verlaufenden, die Reflexionsfläche halbierenden Mittelebene, mit einer Abdeckplatte aus für den Durchlaß von Sonnenstrahlen geeignetem Material, die sich über die Reflexionsfläche erstreckt, und mit einer die Wärme der einfallenden und reflektierten Sonnenstrahlen aufnehmenden Anordnung, welche sich über einen wesentlichen Teil des Bereiches der Mittelebene erstreckt und welche zwei zueinander parallele, mit ihrer Achse in der Mittelebene liegende, Fluid führende Kollektorrohre enthält.

Sonnenwärmekollektoren sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Die Wärmeeinfangvorkehrungen bestehen praktisch immer aus einem, durch die Sonnenstrahlen zu erwärmenden, Flüssigkeiten enthaltenden Rohr oder Rohrsystem im Zentrum eines durch eine reflektierende Fläche umfaßten Raums. Die reflektierende Fläche ist meistens im Querschnitt paraboiförmig. In vielen Fällen werden solche Kollektoren mit ihrer Längsachse parallel zu einer vertikalen, nordsüdgerichteten Ebene mit dem Sonnenstand mitschwenkend bewegbar aufgestellt, damit ein möglichst günstiger Einfall der Sonnenstrahlen erhalten wird.

Bei der ebenfalls vorbekannten Ausbildung gemäß der US-PS 3 990 430 handelt es sich um einen Sonnenwärmekollektor mit einer halbzylindrischen, reflektierenden Fläche, wobei der Kollektor Ost-West orientiert ist und zwei Flüssigkeitsrohre enthält, welche mit Kollektorplatten verbunden sind, die in der Längsmedianebene der reflektierenden Fläche angeordnet sind. Eine Ost-West-Orientierung hat den Nachteil, daß die Sonnenstrahlen unter verhältnismäßig großen Winkeln zur Medianebene einfallen; sie haben dadurch einen weitaus geringeren maximalen Nutzeffekt, so daß keine hohen Temperaturen erreichbar sind. Außerdem führt die Ost-West-Orientierung dazu, daß die Sonnenstrahlen in den frühen Morgenstunden und spät nachmittags unter spitzen Winkeln zur Kollektorlängsachse einfallen, wodurch nur ein geringer Reflexionsgrad und auch geringerer Wärmeeinfang durch den Kollektor erreicht wird.

Gemäß der DE-OS 25 23 965 wird ein Kollektor mit seinen flüssigkeitsführenden Rohren in im wesentlichen horizontalen Ebenen aufgestellt. Außerdem ist nachteilig, daß im Querschnitt kreisrunde Kollektorrohre benutzt werden, deren Oberfläche weitestgehend außerhalb der Medianebene liegt.

Der Nutzeffekt aller dieser bekannten Ausführungen ist somit unbefriedigend. Ähnliches gilt auch für den Sonnenenergiewandler mit parallel gelagerten, der Sonne zugekehrten Reflektorrinnen nach der AT-PS 344 375. Dabei ist in jeder Reflektorrinne nur ein einziges Wärmetransportrohr mit stegartigen Fortsätzen in deren Brennpunkt vorgesehen.

Der Zweck der Erfindung ist ein in einfacher und dadurch rationaler Weise herzustellender Sonnenwärmekollektor der eingangs erwähnten Art, der keine bewegbaren Teile aufweist, fest, d. h. ohne Bewegungs- und Antriebsmechanismus, aufgestellt werden kann und, auch dank der festen Aufstellung nahezu keine Überwachung und Wartung erfordert, jedoch trotzdem eine verhältnismäßig sehr günstige Wärmeleistung bietet.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine feststehende Reflexionsfläche in an sich bekannter Weise mit der Längsmittelebene in einer vertikalen Ebene mit Nord-Südorientierung angeordnet ist, daß die Kollektorrohre innerhalb des Kollektorraumes thermisch voneinander getrennt sind, daß in einer bei Reflektoren mit Sammlern in der Mittelebene bekannten Weise jedes der Rohre eine langgestrecke Querschnittsform aufweist, die mit ihrem großen Durchmesser in der Mittelebene liegt, daß beide Rohre gemeinsam im wesentlichen die gesamte Mittelebene zwischen Reflektor und Abdeckplatte einnehmen, und daß die Dimension des unteren Rohres in der Längsmittelebene wesentlich geringer ist als die Dimension in der Längsmittelebene des oberen Rohres.

Der genannte Raum in dem halbkreisförmigen Teil der reflektierenden Fläche wird so durch die flachen Wärmeeinfangvorkehrungen in der Medianebene in zwei gleiche Hälften unterteilt Die Richtungen, nach denen die einfallenden oder "eingefangenen" Sonnenstrahlen auf die reflektierende Fläche auftreffen, können jetzt nie einen Winkel von dem Wert Null mit der Senkrechten auf diese Fläche an der Einfallstelle einschließen, so daß keine eingefangenen Strahlen nach außen reflektiert werden können. Außerdem erreichen diese eingefangenen Sonnenstrahlen, die nicht direkt auf die Wärmeeinfangvorkehrungen fallen, diese Vorkehrungen größtenteils bereits nach einer einzigen Reflexion, was der effektiven Aufwärmung zugute kommt. Mit dem erfundenen Kollektor werden die Sonnenstrahlen über einen sich über nahezu 180° von Ost nach West erstreckenden Richtungsbereich eingefangen, d. h„ daß trotz der festen Aufstellung des Kollektors ein effektiver Einfang von sehr früh am Morgen bis sehr spät am Nachmittag gesichert ist. Außerdem trifft während der frühen Morgenstunden und der späten Nachmittagsstunden ein wichtiger Teil der eingefangenen Sonnenstrahlen direkt und unter einem für die bezweckte Aufwärmung günsügen Winkel auf die Wärmeeinfangvorkehrungen.

Um die nach der Medianebene aufgestellten Wärmeeinfangvorkehrungen soviel wie möglich die ganze Länge des nach der Medianebene gerichteten Radius der eher genannten Halbkreisform bestreichen zu lassen, kann diese reflektierende Fläche im Querschnitt an ihren beiden Längsrändem etwas verlängert sein. Der Halbkreis ist dann also auf beiden Enden, entweder mit einem geraden oder mit einem kreisbogenförmigen Verlängerungsteil etwas verlängert. Die auf der Öffnung oder Mündung des Reflektors angeordnete Abdeckung kann dann frei von der äußersten Begrenzung der Wärmeeinfangvorkehrungen passieren.

Die in der Tiefenrichtung von der Kollektormündung aus - bis an die reflektierende Fläche - gemessene Abmessung der Einfangvorkehrungen beträgt also ungefähr die Hälfte der zwischen den freien Längsrändem der reflektierenden Fläche gemessenen Breite der Einfangöffnung. -2-

Nr. 391 205

Die gemäß der Erfindung in der Medianebene aufgestellten Wärmeeinfangvorkehrungen verhindern auch nahezu völlig, daß Strahlen von der an der einen Seite dieser Einfangvorkehrungen liegenden einen Hälfte auf die andere Hälfte der reflektierenden Fläche reflektiert werden.

Der erfundene Kollektor wird fest aufgestellt mit der Medianebene vertikal und in der Nord-Süd-Richtung. Der Kollektor wird mit seiner Längsachse in dem in bezug auf die Anordnungsstelle auf Erden günstigsten schrägen oder gegebenenfalls horizontalen Stand angeordnet. Durch die Nord-Süd-Richtung der Medianebene wird eine besonders intensive Sonnenstrahlenkonzentration auf dem am tiefsten in dem Kollektorraum liegenden Teil der Wärmeeinfangvorkehrungen erreicht. Dies ist besonders günstig, weil in dieser Weise ein extra hohes Temperatumiveau in diesem Teil dieser Vorkehrungen erreicht werden kann.

Der erfundene Kollektor eignet sich besonders zum Einbau in bzw. auf sowohl Dächer in allerlei Schrägstellungen wie hochstehende Wände usw. Immer gelangen alle über die Einfangöffnung eingefangenen Sonnenstrahlen direkt oder nach Reflexion auf die Wärmeeinfangvorkehrungen.

Besonders erwähnenswert ist, daß auch das als diffuses Licht einkommende Sonnenlicht die flächenförmigen Wärmeeinfangvorkehrungen mit erhöhtem Nutzeffekt erwärmt, weil das über eine Breite von etwa dem Zweifachen des Radius der reflektierenden Fläche einfallende Sonnenlicht durch Reflexion auf die nur halb so breiten Wärmeeinfangvorkehrungen konzentriert wird.

Das am tiefsten in dem konkaven Kollektorhohlraum angeordnete, flache Rohr wird z. B. wegen der verhältnismäßig hohen Flüssigkeitstemperaturen, die darin zumal während der Stunden des Tages mit der intensivsten Strahlung, namentlich um die Mittagsstunde, erreicht werden können, zum Erwärmen von Boilerwasser oder zu anderen Zwecken, für welche die höhere Temperatur erwünscht ist, angewendet, während das äußere Rohr für niedrigere Temperaturen benutzt wird. Auf diese Weise können also zwei Flüssigkeitssysteme auf verschieden hohe Temperaturen erwärmt werden. Durch eine dementsprechende Schaltung ist es erwünschtenfalls auch möglich, das äußere Rohr als Vorerwärmungsstufe für weitere Erwärmung in dem am tiefsten liegenden Rohr anzuwenden, indem also das untere Kollektorrohr in Fluidfließrichtung stromabwärts dem oberen Kollektorrohr folgt.

Um dabei die Temperatur in dem am tiefsten liegenden Rohr möglichst hoch steigen zu lassen, kann es vorteilhaft sein, dieses Rohr noch einzeln mit einem - vorzugsweise runden - Rohr aus sonnenlichtdurchlässigem Material mit geringem Spiel zu umgeben. Erwünschtenfalls kann in diesem separaten Rohr ein Vakuum erzeugt sein. Dadurch wird unerwünschte Konvektion infolge der verschieden hohen Temperatumiveaus in dem Kollektorraum vermieden.

Es ist auch möglich, den ganzen durch die konkave, reflektierende Fläche, die Abdeckung und die Stirnwände begrenzten inneren Kollektorraum unter Vakuum zu bringen.

Der erfindungsgemäße Sonnenwärmekollektor kann in jeder erwünschten Anzahl auf eine für Wärmeeinfang geeignete Oberfläche eingebaut und zu Sonnenwärmeeinfanganlagen zusammengefügt werden. Für die Praxis kann es vorteilhaft sein, wenn das untere Rohr eine Querschnittdimension in der Mittelebene gleich 40 % des Radius der konkaven Reflexionsfläche aufweist und das obere Rohr eine Querschnittdimension in der Mittelebene gleich 60 % des Radius der konkaven Reflexionsfläche aufweist

Die Erfindung wird jetzt unter Hinweis auf die schematische Zeichnung, noch näher erläutert

Fig. 1 ist ein Querschnitt eines Sonnenwärmekollektors gemäß der Erfindung; Fig. 2 ist ein Querschnitt in erheblich kleinerem Maßstab, einer Reihe von vier zu einer Batterie zusammengefügten Kollektoren nach Fig. 1; Fig. 3 zeigt, von der Seite, die Aufstellung eines Kollektors nach Fig. 1 mit vertikalem Längsschnitt durch diesen Kollektor in etwas kleinerem Maßstab als in Fig. 1 ersichtlich, Fig. 4 ist eine zu Fig. 3 gehörende Vorderansicht in der Richtung (IV-IV) in Fig. 3; die Figuren 5A-C zeigen, für verschiedene Einfallswinkel in dem Kollektor, den Lauf der Strahlen und ihre Reflexion auf die Medianebene.

In der Zeichnung ist mit der Bezugsziffer (1) im allgemeinen ein Sonnenwärmekollektor angegeben mit einer konkaven reflektierenden Fläche, die aus einem im Querschnitt halbkreisförmigen Teil (2) mit Radius (R) und zwei daran gebildeten, im Querschnitt kurzen, geraden Verlängerungsteilen (3) an den beiden Längsrändern des Teils (2) besteht.

Die reflektierende Fläche (2), (3), (3), wird durch eine gebogene, polierte Aluminiumplatte oder Aluminiumfolie gebildet, die über eine Isolationsschicht (4') auf einer Stützfläche (4), die den Boden einer Umkastung des Kollektors bildet, angeordnet. Über die Umkastungsöffnung, die von den End- oder Längsrändem des Bodens und von den beiden Stirnwänden (5) der Umkastung begrentzt wird, ist eine Abdeckplatte (7) aus sonnenstrahlen-durchlassendem Material, in dem vorliegenden Fall durchsichtigem Kunststoffmaterial, als Deckel angebracht. Dieser Deckel bildet in dieser Weise daher auch die Abdeckung für das Innere des Kollektorraums, begrenzt durch die Reflexionsflächen (2), (3), (3) und die zwei Endflächen (6), die in den Figuren 3 und 4 wiedergegeben sind, und welche Endflächen gleichfalls aus poliertem Aluminiumplatten- oder Folienmaterial bestehen können.

Mit der Bezugsziffer (8) wird in den Figuren 1 bis 4 ein erstes und mit (9) ein zweites, im Querschnitt flaches Kollektorrohr angegeben. Diese Rohre enthalten Flüssigkeit, die mit den durch den Kollektor eingefangenen Sonnenstrahlen erwärmt werden muß. Beide Rohre sind mit der längsten Abmessung ihres Querprofils in Tiefenrichtung des Kollektors gemäß einer imaginären Medianebene (M) - die den Kollektor in der Länge halbiert - in dem Kollektor angeordnet. -3-

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Das Profil des Rohrs (8) erstreckt sich - gemäß dem wiedergegebenen Ausführungsbeispiel - in Tiefenrichtung des Kollektors von nahe der Schnittlinie der Medianebene (M) mit dem kreisrunden Teil (2) der reflektierenden Fläche bis etwa 40 % des Radius (R) und das des Rohrs (9) über die verbleibenden 60 % dieses Radius (R). In dieser Weise wird daher nahezu das ganze Gebiet der Medianebene (M), insofern diese sich in dem Kollektor erstreckt, von den beiden Rohren (8) und (9) bestrichen. Aus praktischen Gründen können jedoch beide Rohre (8) und (9) auch je etwa den halben Radius (R) bestreichen.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 bis 4 wird das Rohr (8) noch durch ein, in diesem Fall im Querschnitt rundes, Rohr (10) aus ähnlichem Material wie das der Abdeckplatte (7) umgeben.

Die Rohre (8) und (9) sind, wie aus den Figuren 3 und 4 hervorgeht, an ihrem einen Ende nach der Endfläche (6), jedoch innerhalb der Stirnwand (5), über Querstutzen (8'), (9'), an ein, in der Zeichnung nicht wiedergegebenes Flüssigkeitsleitungssystem angeschlossen. Durch dieses System zirkuliert die Flüssigkeit, die in dem Kollektor erwärmt wird und anderswo die, in dem Kollektor eingefangene Wärme durch Austauschmittel abgeben muß. Auf Einzelheiten darüber wird nicht näher eingegangen, weil es dabei an sich bekannte Ausführungen von Anlagen zur Benutzung der in einem Flüssigkeitssytem eingefangenen Sonnenwärme betrifft.

Fig. 3 zeigt die schräge Aufstellung des Kollektors (1), in dem vorliegenden Fall mit der Längsachse in einer vertikal Nord-Süd gerichteten Eben und etwa unter einem Winkel von 55° mit der Horizontalebene. In dieser Figur ist mit der Bezugsziffer (11) noch eine Verbindung zwischen den Rohren (8) und (9) wiedergegeben, weil es dabei ein System betrifft, bei dem die Rohre (9) und (8) nacheinander durchströmt werden. Dadurch, daß die zu erwärmende Flüssigkeit in dem Rohr (9) vorerwärmt wird, kann sodann in dem Rohr (8) ein um so höheres Temperaturniveau erreicht werden. Übrigens wird in diesem Zusammenhang noch auf die im Nachstehenden gegebene Erläuterung zu den Figuren 5A-C hingewiesen.

Das Rohr (10) ist in Fig. 3, übersichtlichkeitshalber, weggelassen worden.

Fig. 2 zeigt vier zu einer Batterie zusammengefügte Kollektoren (la-d). Die Abdeckplatten (7a-c) können hier zu einer einzigen gemeinsamen Abdeckplatte vereinigt sein. Die verschiedenen Medianebenen werden hier mit den Bezugsbuchstaben (Ma-Md) wiedergeben.

Diese Figur zeigt auch die Orientierung mit den Öffnungen der Kollektorräume nach Süden gerichtet. Auf der südlichen Erdhalbkugel wird diese selbstverständlich nach Norden sein.

Wie in Fig. 1 für einen Strahl (S) die Reflexion gemäß der Richtung (S*) angegeben ist, wird in den Figuren 5A-5C verschiedene Zeitpunkte des Tages mit zugehörigen Sonnenständen, bei fester Aufstellung des Kollektors (1), der Verlauf der einfallenden und reflektierten Strahlen wiedergegeben. Die Wärmeeinfangvorkehrungen werden in diesen Figuren schematisch mit der Bezugsziffer (18) angegeben.

Zu den Pfeilen werden Bezugsbuchstaben (S^) mit reflektierten Strahlen (S^') und ebenso (Sg). und (SB’), sowie (Sq) und (Sq') angegeben.

Es ist klar, daß alle eingefangenen Strahlen entweder direkt oder sonst schließlich durch größtenteils nur einfache Reflexion ihren Weg nach den, gemäß der Medianebene (M) aufgestellten, Wärmeeinfangvorkehrungen finden. Die Figuren 5A-5C zeigen, daß die eingefangenen Strahlen, insofern sie direkt auf die Wärmeeinfangvorkehrungen fallen größtenteils schon nach einer einzigen Reflexion, die Wärmevorkehrungen treffen, während gleichfalls jede Reflexion nach außen wirksam vermieden wird.

Bei näherer Betrachtung der Figuren 5A-5C ist es weiter auch klar, daß in dem tiefsten Teil die größte Konzentration und dadurch die intensivste Erwärmung auftreten wird. Aus diesen Gründen werden nach dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1-4 zwei Rohre (8) und (9) zum Erreichen verschiedener Erwärmungsniveaus angewendet.

In Fig. 5A wird bei der Bezugsziffer (2') noch mit einer punktierten Linie angegeben, wie die reflektierende Fläche (2) in dem am tiefsten liegenden Mittelgebiet, hinter der Hinterbegrenzung der Wärmeeinfangvorkehrungen (18) einigermaßen V-förmig nach hinten ausgestülpt ausgebildet werden kann. Durch diese Besonderheit wird erreicht, daß die Sonnenstrahlen während der Stunden des höchsten Sonnenstandes etwas eher und unter einem günstigeren Winkel auf den tiefst liegenden Teil der Wärmeeinfangvorkehrungen fallen, wodurch die Wärmeleistung des Kollektors noch günstiger wird.

Es wird klar sein, daß in bezug auf das oben beschriebene und in der Zeichnung wiedergegebene Ausführungsbeispiel allerlei Abwandlungen im Rahmen der Erfindung möglich sind. So kann insbesondere auch die reflektierende Fläche aus einem anderen geeigneten Material als die genannten Aluminiummaterialien hergestellt sein. -4-

Claims (5)

1. Nr. 391 205 PATENTANSPRÜCHE 1. Sonnenwärmekollektor mit einer langgestreckten, konkaven Reflexionsfläche von im wesentlichen halbkreisförmigem Querschnitt, einer in Längsrichtung verlaufenden, die Reflexionsfläche halbierenden Mittelebene, mit einer Abdeckplatte aus für den Durchlaß von Sonnenstrahlen geeignetem Material, die sich über die Reflexionsfläche erstreckt, und mit einer die Wärme der einfallenden und reflektierten Sonnenstrahlen aufnehmenden Anordnung, welche sich über einen wesentlichen Teil des Bereiches der Mittelebene erstreckt und welche zwei zueinander parallele, mit ihrer Achse in der Mittelebene liegende, Fluid führende Kollektorrohre enthält, dadurch gekennzeichnet, daß eine feststehende Reflexionsfläche (2) in an sich bekannter Weise mit der Längsmittelebene in einer vertikalen Ebene mit Nord-Südorientierung angeordnet ist, daß die Kollektorrohre (8), (9) innerhalb des Kollektorraumes thermisch voneinander getrennt sind, daß in einer bei Reflektoren mit Sammlern in der Mittelebene bekannten Weise jedes der Rohre (8), (9) eine langgestreckte Querschnittsform aufweist, die mit ihrem großen Durchmesser in der Mittelebene liegt, daß beide Rohre (8), (9) gemeinsam im wesenüichen die gesamte Mittelebene zwischen Reflektor und Abdeckplatte einnehmen, und daß die Dimension des unteren Rohres (8) in der Längsmittelebene wesentlich geringer ist als die Dimension in der Längsmittelebene des oberen Rohres (9).
2. 2. Sonnenwärmekollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein für Sonnenstrahlen durchlässiges Rohr (10) kreisförmigen Querschnittes das untere Kollektorrohr (8) mit geringem Spiel umgibt
3. 3. Sonnenwärmekollektor nach Anspruch 1, wobei die beiden Kollektorrohre in Reihe aneinander anschließen, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Kollektorrohr (8) in Fluidfließrichtung stromabwärts dem anderen Kollektorrohr (9) folgt.
4. 4. Sonnenwärmekollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Rohr (8) eine Querschnittsdimension in der Mittelebene gleich 40 % des Radius (R) der konkaven Reflexionsfläche aufweist und das obere Rohr eine Querschnittsdimension in der Mittelebene gleich 60 % des Radius (R) der konkaven Reflexionsfläche (2) aufweist.
5. 5. Sonnenwärmekollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich beidseitig an die Reflexionsfläche (2) mit halbkreisförmigem Querschnitt reflektierende Randstreifen tangential anschließen. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -5-