DE2403032A1 - Strahlungsabsorber zum einfangen der sonnenenergie - Google Patents

Description

• Strahlu;gsabsorber zum Ei@fangen der Sonnenenergie Die Erfindung betrifft eine unordnung, mit welcher die von der Sonne ausgehende Strahlungsenergie absorbiert und mit gutem Wirkungsgrad, å.h. ohne schädliche Energieverluste, einem Wärmespeicher zugeführt werden kaolin, von wo sie zu weiterer Nutzung, beispielsweise zur heizurlg von Wohn- oder Burogebäuaen, Werkräumen oder Schulen zur Verfügung steht.
• Letztlich geht jede heute auf der Erde in Form Holz-, Kohle-oder Ölverbrennung erzeugte Wärmeenergie auf Sonneneinstrahlung früherer Zeit zurück; die Brennstoffe spielen dabei aie Rolle eines Energiespeichers mit allerdings sehr hoher Energiekon zentration gbis etwa 10 000 kcal/kg). Die sich abzeichnende Verknappung und Vergeuerung der bisher verwenieten Brennstoffe macht den Einsatz neuer Energiequellen notwendig, vor allem auch deshalb, da Kernenergie kurz- oder Mittelfristig nicht in der benötigten Menge zur Verfügung stehen wird. hier kamin eine erfinaungsgemäMe Anordnung von Nutzen sein.
• Die Sonne strahlt der Erae Energie in l4torm elektromagnetischer Wellen in einem breiten Erequenzspektrum zu, wobei uer Leistungsfluss etwa 1 kW/m2 entspricht. Diese Energie wird bis heute nicht ausgenutzt. Wenn man beaenkt, aaM der Durchschnittshaushalt in Mittelauropaetwa 80% seines Energieverbrauches in ilorm von Wärmeenergie zum Heizen einsetzt und nur die restlichen 20 % beispielsweise zum Beleuchten, Antrieb elektr.
• Haushaltsgeräte usw. benötigt, wird es klar, das es sinnvoll ist, die Sonnenenergie zumindest zum Heizen einzusetzen. Macht das genannte Zahlenkerhältnis einen Einsatz der Sonnenenergie bereits in Mitteleuropa volkswirtschaftlich sinnvoll, so liegen die Verhältnisse in Ländern mit längerer Sonneneinstrahlung (mehr Sonnentage pro Jahr) und geringerem Energieverbrauch je Einwohner noch günstiger.
• Die Erfindung löst die aufgabe, Sonnenenergie mit gutem Wirkungsgtad einzufangen und einem Speicher zuzuführen, von wo sie bei Bedarf wieder hervorgeholt und eingesetzt werden kann.
• Zum Energieeinfanf wird eine Platte aus Metall,- wlas oder auch Kunststoff verwendet, aeren deren eine Fläche der Sonne möglichst senkrecht zur Strahlungseinfallsrichtung zugewandt wird und die so beschaffen ist, daß sie Strahlung im Spektralbereich der Sonnenstrahlung gut absorbiert.Hierzu kann ein lackgebundener Graphitauftrag, eine mattschwarze Eloxalschicht (bei Aluminium) oder eine Bedampfung der Oberfläche dienen. Die Absorberplatte speichert die eingefangene Energie zunächst winde sie sich erwärmt..D urch gezielte Abkühlung des Absorbers wird die eiegefangene Energie abgeführt un in einen Speicher geleitet. Dabei wird dafür gesorgt, daß die Temperatur des speichernden absorbers zwar so groß ist, um einen für den WärmeüBErgang in den die Energie abführenden Stoff ausreichencien Temperaturunterschied zu sichern, jedoch klein genug ist, um Verluste an nicht wieder einfangbarer Energie zu vermeiden.
• Diese gezielte Abkühlung erfolgt dadurch, daß man über die geneigte Oberfläche des Absprbers einen Flüssigkeitsfilm ströman läuft, wobei bei entsprechender Auslegung der Anordnung die im Absorber gespeicherte Energie in die Flüssigkeit übergeht und diese erwärmt. Die erwarmte Flüssigkeit wird anschließend wieder gesammelt und in einen Speicherbehälter geleitet, der daniit gleiciizeitig Wärmespeicher ist. Wegen der großen spezifischen Wärme wird als wärmeabführende Transportflüssigkeit vorzugsweise Wasser verwenae.
• Um eine Verdunstung des wassers beim Strömen über die Absorberoberfläche zu vUrrneiaen, muß ie Absorberplatte mit einem zwar für die Strahlung der Sonne durchlässigen, für Dampf und Glas aber undurchlässigen Schutz abgedeckt werden. Hierzu wird Vorzugsweise organisches oder anorganisches Glas verwendet.
• Nachteilig wäre bei einer Veraunstung nicht nur der Flüssigkeitsverlust sondern auch der Verlust an nicht wiedergewinnbarer Verdunstungswärme, welche bei vermeidung der Verdunstung für den wärmespeicher erhalten bleibt, Um Wärmebrücken, welche einen Energieverlust mit sich bringen würden, zwischen Absorberfläche und Schutzplatte zu vermeiden und um außerdem ein ungehindertes Strömen der Fljissigkeit zu ermöglichen, muß die Schutzfläche einen bestimmten Abstand von der Absorberfläche haben; ausreichend ist hierzu ein Abstand von etwa 2 mm bis 20 mm.
• Die im Zwischenraum zwischen Absorberplatte und Schutzfläche befindliche Luft ist mit Flüssigkeitsdampf gesättigt. Um einen Tauniederschlag an der Schutztläche und damit eine Absorption der Strahlung bereits an der Schutzplatte anstatt erst an der Absorberplatte zu vermeiden, ist dafür zu sorgen, daß die Schutzfläche eine Temperatur hat, die über der Taupunkttemperatur der Flüssigkeit liegt. Die Taupunkttemperatur ändert sich mit der Intensität der Strahlung, sodaß ii eine sich mit der Einstrahlintensität sich änderride Temperatur der Schutzfläche zu sorgen ist. Dies läßt sich erreichen dadurcn, daß das Glas der Schutzfläche mit strahlunsabsorbierenden zusätzen versehen wird, so daß die Schutzllächentemperatur mit steigender Strahlungsintensität zunimmt. Insbesondere kann die Schutplatte aus photochromem Glas (Glas, dessen Transparenz und damit Eigenabsorption eine Funktion der auftreffenden Strahlungedichte ist) bestehen. In die Sehutzglasplatte können, beispielsweise durch Schwärzen, stellenweise Flächenbezirke mit totaler Strahlungsabsoption eingefügt werden, Die Querwärmeleitfähig keit der Schutzplatte sorgt dann ebenfalls für eine gleichmäßige, über der Taupunkttemperatur liegende Schutzffflächentemperatur.
• Einen optimalen vlirkungsgrad der Anordnung erzielt man, wenn die Absorberplatte aui ihrer ganzen Fläche möglichst gleichmälJig dick von 'lüssigkeitsfilm beströmt wird und wenn außerdem gerade soviel Flüssigkeit strömt, wie zur abfuhr der eingestrahlten Energie notwendig ist. Min gleichmäßig dicker Flüssigkeitsfilm entsteht, wenn die Absorberanorenung schräg gestellt wird (was ohnehin zweckmäßig ist, da die Sonneneinstrahlichtung senkrecht zur jibsorberfläche soll), wenn an der Oberkante der absorberplatte ein beidseits verschlossenes Rohr parallel zur Kante angeordnet wird, dem in aer mitte Flüssigkeit zugeführt wird, welches aurch gegen die Absorberfläche gerichtete Wand bohrungen auf die Fläche hin austreten kann.
• Fig. 1 zeigt ein Ausführungsüeispiel der Sonnenenergiefängers.
• Die Äbsorberplatte 1 ist durch Pedern 4 zwischen den Schutzglasplatten 2 gehalten. Diese sind durch die Wandstücke 3 rundum verbunden, wobei die Verbindungsstellen dicht verschmolzen, verklebt ouer verkittet sind. Parallel zur Oberkante der absorberplatte ist ein Rohr 5 angeordnet, welchem durch das Anschlußrohr 6 Plüssigkeit zugeführt wird. Diese Strömt durch die Bohrungen 7 gegen die Absorberplatte 1 hin aus und verbindet sich nach kurzen Strömungsweg zu einem geschlossenen Flüssigkeitsfilm. Die Unterseite der Anordnung ist so ausgebildet, daß sich die Flüssigkeit nach Beströmen der Absorberplatte 1 in der iliiitte der Unterseite sammelt, wo sie aurch den abfluß 8 abgeführt werden kann und die von der Absorberplatte aufgenommene Wärmeebergie in Form erhöhter Eigentemperatur mit sich führt. Die gesamte Anordnung ist beispielsweise durch eine rückseitig angeordnete Isolierungggegen unerw.nschte Wärmeabfuhr gesichert.
• Je nach der srt, wie die Absorberanordnung der Sonneneinstrahlung ausgesetzt werden soll, kann sie noch mit Haltevorrichtungen versehen werden. Wird die Anordnung beispielsweise auf Gebäudedächern anstelle von Dachziegeln angeordnet, so werden die haltevorrichtungen den tragenden Dachlatten angepasst werden. Seitlich kann die Absorberanordnung außerdem mit einem Falz ähnlich wie bei Dachziegeln üblich versehen werden, so daß bei Eindecken von Dächern mit Sonnenenergie fängern eine dichte Dachabdeckung gewährleistet ist.
• Fig. 2 zeigt schematisch einen Sonnenenergiefänger in Betriebsstellung, also der Sonneneinstrahlrichtung optimal zugewandt.
• Die Verwenaung des beschriebenen Sonnenenergiefängere bringt eine Reize von Vorteilen: Werden Gebäude anstelle mit Ziegeln oder anderen Baustoffen mit Sonnenenergiefängern gesteckt, so wird die in der warmen Jahreszeit eingestrahlte Wärmeenergie abgeführt, das Gebäude damit kühl gehalten so dafd heute oft angewandte Kühlmaßnahmen, die ihrerseits Energie verbrauchen, entfallen können. Wichtiger ist jedoch, daß die abgeführte Wärmeenergie gespeichert werden kann so daß sie in der kalten Jahreszeit zum heizen des Gebäudes zur Verfügung steht. Ist die Temperatur des abgeführten Flüssigkeit hoch genug, so kann man Innenräume direkt damit heizen; liegt sie unter etwa 50 °0 , so kann sie mit einer Wärmepumpe äußerst wirt schaftlich wieder auf aen Wert von etwa 70 0G bis 80 °C gebracht werden, was zur Gebäudeheizung ausreicht. Auch in der kalten Jahreszeit, wenn auch weniger intensiv und häufig, eintretfenue Strahlunsenergie der Sonne kann mit den Sonnenenergiefängern genützt werden. Sonnenenergiefänger lassen sich hierzu auch so betreiben, daß auftreffender Schnee sofort schmilzt, so daß die Sonnenenergiefänger stets auch in der kalten Jahreszeit bereit zu Einfangen von Sonnenenergie sind0 Da sich Sonnenenergiefänger auch mit Photo elementen kombinieren lassen, die wiederum über Wasserelektrolyse Waxserstoft erzeugen können, bieten sie auch den Vorteil, beispielsweise Kochgas für den haushalt oder Treibgas für Fahrzeuge erzeugen zu können0 Die beschriebenen Sonnenenergiefänger können leichter gebaut werden als eine flächengleiche enge bisheriger Baustoffe zur Dacheindeckung so daß eine Materialersparnis er Dachkonstruktion bei deren Verwenaung möglich ist.

Claims (18)

Patentansprüche

1) Sonnenenergiefänger dadurch gekennzeichnet, daß die onnenstrahlung auf eine gegen unerwünschte Wärmeabführung mittels Wärmeisoliermaßnahmen geschützte Fläche mit hoher Strahlungsabsorption trifft, welche dadurch eine Temperaturerhöhung erfahrt, dab die in diesem Absorber zwischengespeicherte Wärmemenge durch eine über die Absorberfläche strömende Flüssigkeitsschicht abgeführt wird und daß die je zeiteinheit strömende Flüssigkeitsmenge so gewählt wird, daß der Temperaturunterschied zwischen ht)sorberfläche und Flüssigkeit ausreicht, um die einstrahlende Leistung abzuführen jedoch nicht so groß wird, daß den Wirkungsgrad vermindernde Strahlunsverluste auftreten.

2) Anordnung nach anspruch 1) dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeabsorber aus einer Metallplatte mit matt geschwärzter Oberfläche, insbesondere einer mattschwarz el@oxierten Hluminiumplatte besteht

3) Anordnung nach anspruch 2) dadurch gekennzeicnnet, daß die als Wärmeabsorber dienenende lkletallplatte an der Vorder-und Xückseite senkrecht zu ihrer eigenen Ebene und/oder an ihren Rändern durch Druck bzw. Zugfedern zwar räumlich stabil jedoch elastisch zwischen zwei ulasplatten gehalten ist, so daß zwischen der Absorberplatte und den ulasplatten ein Zwischenraum von vorzugsweise 2 mm bis 20 mm bleibt und daß die Glasplatten an aen Rändern aicht verschmolzen, verklebt, verkittet oder auf andere iveise verbunden sind.

4) Anordnung nacn einem oder mehreren der Ansprüche 1) bis 3) dadurch gekennzeichnet, daß die als Wärmeabsorber dienende xetallplatte an der vom Flüssigkeitsfilm überströmten Seit@ mit einer Schicht aus Quarz belegt ist.

5) Anordnung nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet, daß die strahlunsabsorbierende fläche aus einer Glasplatte mit wärmeisolierender Belegung besteht, welche mit einer zweiten parallel angeordneten glasplatte an den Rändern so verschmolzen9 verklebt, verkittet oder auf andere Weise verbunden ist, daß daß die strahlunsabsorbierende Belegung der ersten platte der zweiten Platte zugewandt ist.

6> Anordnung nach eimem oder mehreren der ansprüche 1) bis 5) dadurch gekennzeichnet, daß die der Sonneneinstrahlung abgewandte Seite der Anordnung mit einer wärmeisolierenden Schicht belegt ist0

7) Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1) bis 6) dadurch gekennzeichnet, daß die der Sonneneinstrahlung zugewandte Seite der Plattenanordnung aus photochromein Glas, doho aus Wlas mit einer vor der Strahlungsintensität abhängigen Transparenz besteht.

8) Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1) bis 6) dadurch gekennzeichnet, daß in die der Sonneneinstrahlung zugewandten, zum Schutz der eigentlichen Ansorberplatte dienenden Glasplatte Teilbereicne mit völliger oder nahezu völliger Strahlungsabsorption ein- oder aufgebracht sind, wodurch eine Temperaturerhöhung der Schutzglasplatte entsteht.

9) Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1) b>is 8) dadurch gekennzeichnet, daß die wärmestrahlungsahsorbierende Platte auf der der Sonneneinstrahlung zugewandten Seite mit einer Anordnung aus Photoelementen Belegt ist, so daß die Sonneneinstrahlung in den Photoelementen elektrische Energie erzeugt und der nicht in elektrische Energie umsetzbare Anteil der Sonnenstrahlung die Absorterplatte erwärmt, wobei die Wärme durch einen stramenden Wasserfilm abgeleitet wird.

10)Anordnung nach Anspruch 9) dadurch gekennzeichnet, daß die Photoelemente gruppenweise elektrisch in Reihe oder Parallel geschaltet werden.

11) Anordnung nach Anspruch 10) dadurch gekennzeichnet, daß die von den Photoelementen gelieferte elektrische Energie zur erzeugung von Wasserstmft durch Elektrolyse von Wasser in an sich bekannter eise verwendet wird.

12) Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1) bis 9) dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeabführende, strömende Flüssigkeitsschicht durch Zufuhr einer bestimmten Slüssigkeitsmenge je zeiteinheit an der Oberkante der geneigt angeordneten Absorbereinheit erzeugt wird, wobei man es so einrichtet, daß die Dicke des Flüssigkeitsfilmes quer zur Strömungsrichtung möglichst gleich @@@@ ist

13) Anordnung nach Anspruch 12) dadurch gekennzeichnet, daß die gleichmäßige Dicke des Flüssigkeitsfilmes quer zur Strömungsrichtung durch ein an der Oberkante der geneigten Absorberplatte angeordnetes Rohr erzielt wird, dem in der Mitte die Flüssigkeit zugeführt wird und welches gegen die Absorberplatte hin kleine Bohrungen oder einen Schlitz au£-weist, durch welche die Plüssigkeit zur Absorberplatte hin austreten karin.

14) Anordnung nach Anspruch 13) dadurch gekennzeichnet, daß die je Zeiteinheit zugeführte i'lüssigkeitsmenge so gesteuert wira, daß entweder die Temperaturerhöhung der Plüssigkeit vor und nach Beströmen der Absorberplatte oder die Temperatur der Absorberplatte selbst annähernd konstant bleibt.

-75) Anordnung nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet, daß als wärmeabführende Flüssigkeit entkalktes Wasser verwendet wird.

16) Anordnung vach Anspruch 14) dadurch gekennzeichnet, daß die absorberplatte ganz oder in einer Teilfläche durch Kombination mit einem anderen ltetall als bimetall ausgelegt wird und daß durcn die Temperaturabhängigkeit der Krümmung des Bimetalles durch aufsenaltung dieser Krümmungsbewegung auf ein Itegelventil die temperaturabhängige Steuerung der Flüssigkeitsmenge erfolgt.

17) Anordnung nacn eimem oder mehreren der Ansprüche 1) bis 16) daaurch gekennzeichnet, daß die wärmestrahlungsabsorbierende Einricntung in der Brennebene eines uer Sonneneinstrahlung zugewandten t'okkussierungsspiegels abgeordnet ist.

18) Anordnung nach eimem oder mehreren der Ansprüche 1) bis 16) dadurch gekennzeichnet, daß sie teilweise ocier ganz zum Decken von Hausdächern verwendet wird.

L e e r s e i t e