DE2918017A1 - Sonnenkollektor - Google Patents

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SONNENEOLLEETOR

Die Erfindung "bezieht sich auf Vorrichtungen zum Auffangen strahlender Energie und im besonderen auf Sonnenkollektoren, die Luft oder ein ähnliches Strömungsmedium zur Hitzeübertragung verwenden. . '

In der Vergangenheit sind verschiedene Sonnenkollektoren zum Auffangen und Nutzbarmachen von strahlender Energie, die von

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der Sonne empfangen wird, entwickelt worden. Im allgemeinen handelt es sich bei diesen früheren Geräten um rechteckige Behälter mit einer G-lasoberfläche oder einer anderen lichtdurchlässigen Fläche, die über der Sonnenauf fangfläche angeordnet ist, die zum Absorbieren der Sonnenstrahlen entsprechend ausgerichtet ist. In diesen Kollektoren fließt ein Strömungsmedium zum Wärmeaustausch mit der die Sonnenstrahlen auffangenden Fläche. Solche Kollektoren sind als Flachplattenkollektoren bekannt.

Einige Flachplattenkollektoren verwenden eine Flüssigkeit wie Wasser als Hitzeübertragungsmedium. Abgesehen von den Nachteilen der Flachplattenkollektoren, die eine Flüssigkeit als Wärmeübertragungsmedium verwenden, ergibt sich die Notwendigkeit, für ausgedehnte Installationsarbeiten, Pumpen, die Flüssigkeit in Umlauf setzen, und dergleichen, um die Hitze von der Auffangstelle auf die Yerwendungsstelle zu übertragen. Diese notwendigen Einrichtungen schlagen bei solchen Systemen zum Auffangen der Sonnenstrahlen beträchtlich bei den Anwendungskosten zu Buch.

Eine andere Art von Flachplattenkollektoren verwendet ein Strömungsmedium wie Luft zur Hitzeübertragung. Bei den !Problemen, die sich bei Flachplattenkollektoren ergeben, welche Luft als Wärmeübertragungemedium benutzen, ist es insbesondere die Notwendigkeit, für eine genügende Turbulenz der Luft in den Flachplattenkollektoren zu sorgen, um eine gute Wärmeübertragung

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sicherzustellen. Zusätzlich werden Einrichtungen erforderlich, um einen Hitzeverlust durch Konvexionsströmung rückwärts durch den durchsichtigen Teil des Kollektors hindurch zu verhüten.

Beide irten von fflachplattenkollektoren haben noch zusätzliche Nachteile insofern, als es zur Schaffung eines Kollektors mit einer genügend großen Wärmeabsorptionsfläche in der Vergangenheit notwendig war, eine Mehrzahl von Plachplattenkollektoren miteinander zu vereinigen, um eine genügend große Kollektorflache zu schaffen, um den Erfordernissen eines speziellen Bauwerks zu genügen. Da öeder KLachplattenkollektor sein eigenes Gehäuse und seine eigene Isolierung besitzt, schafft eine solche Kassettenbauweise einen erhöhten Grad von Flexibilität, aber auf Kosten des Gewichts und der Kosten der gesamten Sonnenkollektor einrichtung. Offensichtlich sind nicht alle Dachkonstruktionen in der Lage, derartige beträchtlich große Gewichte bei der Vereinigung verschiedener Kollektroeinheiten zu tragen j und die Konstruktion von Dächern, die ein solches Gewicht zu tragen vermögen, schlägt wieder bei den Kosten der Sonnenenergiesysteme zu Buch.

Somit verbleibt die Notwendigkeit der Konstruktion einer Sonnenkollektor einheit, die wirtschaftlicher und wirksamer ist als die nach dem Stande der Technik vorhandenen Kollektoren.

Allgemein gesprochen ist der Sonnenenergie kollektor gemäß vorliegender Erfindung eine Kollektoreinheit vom Hohltyp, die

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eine vertikale Rückwand, eine horizontale Grundfläche und eine lichtdurchlässige Kollektorfläche besitzt. Die Querschnittsform der Einheit ist dreieckig. Eine solche Form ist besonders geeignet, um den Sonnenenergiekollektor in das Dach oder den Dachboden eines Hauses oder eines Bauwerks einzubeziehen, das im allgemeinen ein nach Süden gerichtetes, geneigtes Dach aufweist.

Entscheidend ist, daß mindestens die Bückwand des Kollektors im wesentlichen mit einem die Wärme auffangenden Element aus Wellblech bedeckt ist. Vorzugsweise ist ein ähnliches Wärmeaufnahmeelement auf dem Grunde des Hohlkollektors ebenfalls vorgesehen.

Der Kollektor enthält eine Luftzuführung im unteren Teil der Vorderseite des Kollektors für kalte Luft, um diese in die Höhlung eintreten zu lassen. Ein JLustrittsrohr für Heißluft, die aus der Höhlung austreten soll, befindet sich im oberen Teil des rückwärtigen Raumes der Höhlung. Das Luftaustrittsrohr steht mit Kanälen in Verbindung, die in den Wänden des Wärmeaufnahmeelements aus Wellblech vorgesehen sind.

Vorzugsweise bilden die Rippen, des Wärme aufnahme elements abwechselnd V-förmige Kanäle und Tunnel, die einen von zwei schrägen Seiten gebildeten Kanal darstellen, wobei diese Seiten etwa in einem Winkel von 35° *>is etwa 55° bilden und vorzugsweise um etwa 4-5° geneigt sind.

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ΛΑ

Vorteile und andere Kennzeichen der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich, worin gleiche Ziffern durchgängig zu der Identifizierung gleicher Teile benutzt sind.

KLg. 1 ist eine teilweise geschnittene, allgemeine schematische perspektivische Ansicht eines Gebäudes, das eine Sonnenheizeinrichtung gemäß der Erfindung aufweist, die im Dach und der Dachbodenkonstruktion eingebaut ist.

Pig. 2 ist eine perspektivische Ansicht des hohlen Sonnenkollektors nach Fig. 1.

!ig. 3 ist ein schematischer Querschnitt einer Sonnenheiz einrichtung gemäß der Erfindung.

. 4 ist eine schematische Rückansicht einer SonnenMzeinrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 5 ist eine Ansicht eines Kollektors gemäß der Erfindung von hinten.

Pig. 6 ist eine schematische Erläuterung einer gefalteten Isoliereinrichtung und einer Vergasung einer Kollektoreinheit gemäß vorliegender Erfindung.

ELg. 7 ist eine schematische Ansicht, die die Luftströmung

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durch den. Kollektor gemäß der Erfindung zeigt.

Fig. 8 erläutert die Anordnung der Luftdurchtrittsöffnungen, die mit den gewellten Värme aufnahme glie dern gemäß der Erfindung in Verbindung stehen.

Fig. 9> erläutert schematisch einen der Vorteile der vorliegenden Erfindung..

Die Fig. 10, 11 und 12 erläutern verschiedene Anordnungen der Kollektoreinheiten gemäß der Erfindung.

Der in der Zeichnung dargestellte Sonnenenergiekollektor besteht aus einer hohlen Kbllektoreinheit 10 mit einer vertikalen Rückwand 11, einer horizontalen Grundfläche 12, vertikalen Seitenwänden 14 und 15 und einer geneigten, lichtdurchlässigen Torderwand 16. Wie aus den Figuren ersichtlich, ist der Querschnitt durch die hohle Einheit im wesentlichen dreieckig. Der Kollektor besitzt eine Einleitung 17 für kalte Luft, die zur Kaltluftleitung 19 führt und in der Sichtung der Pfeile 20 durch den Kollektor hindurchströmt und dann durch die Warmluftleitung 21, gesammelt wird und durch die öffnung 22 strömt.

Die Kbllektoreinheit ist vorzugsweise in ein Haus oder ein Bauwerk 26 eingebaut derart, daß die Konstruktionselemente des Hohlraums auch als Konstruktionsteile des Hauses oder Gebäudes 26 dienen. So kann beispielsweise die Bodenfläche 12 der

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Hohlkonstruktion auf 2x6 Bodendielen 28 ruhen. Als Stütze für die Vertikalwand können 2x4 Ständer 29 verwendet werden. Die Ständer'29 für die rückwärtige Vertikalwand 11 können am besten mit 2x6 Dachsparren 30 und Bodendielen 28 verankert werden. Wie aus Pig. 3 ersichtlich, ist der vordere lichtdurchlässige Teil 16 des Sonnenkollektors in der gleichen Ebene geneigt, so daß er mit dem Dach 31 des Gebäudes 26 in einer Ebene liegt und einen Teil desselben bildet.

Bei der Ausführungsform nach ELg. 3 besteht die durchsichtige Fläche 16 aus zwei Glasschichten 32 und 33 > die durch einen Zwischenraum 34 voneinander getrennt sind. T-*-Träger aus Aluminium 37 dienen dazu, das Glas an den Dachsparren 30 zu befestigen.

Wie aus ELg. 2 ersichtlich, ist die Kollektoreinheit mit einer Tür 36 versehen^ die als Eingang und Austritt zum Hohlraum desselben dient.

Vorzugsweise und zweckmäig sind Mittel· vorgesehen, um den Hohlraum zu belüften, z.B. Klappen 38, wie sie in ELg. 5 dargestellt sind, die am oberen Ende der vertikalen Rückwand des hohlen Kollektors 10 angebracht sind. Bei einer Ausführungsform werden diese Klappen von Hand betätigt und lediglich dann verwendet, wenn das System überhuapt nicht arbeitet, beispielsweise wenn das Gebäude während einer längeren Zeitdauer nicht bewohnt ist, um hierdurch eine übermäßige Stagnierung hoher

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Temperaturen zu verhüten. In Abhängigkeit von dem Zweck, zu dem die Warmluft aus dem Kollektor verwendet wird, und abhängig von dem Gesamtsystem, in das der Wärmekollektor eingebaut ist,kann dieser zusätzlich von Hand mit Hilfe der Klappen 38 beispielsweise während der Sommermonate belüftet werden. Vorzugsweise sind die Klappen 38 jedoch federnd gelagert und öffnen sich bei 100⁰C. Dadurch wird Vorsorge getroffen, gegen die Stagnierung hoher Temperaturen, die in dem Kollektor entstehen können.

Die Grundfläche 12, die vertikale Rückwand 11 und die vertikalen Seitenwände 14, 15 sind vorzugsweise isoliert und besitzen mindestens eine Isolierung von 5»1 cm, die einen B-Wert von etwa 13 aufweist.Es kann jede Art von Isolierung benutzt werden, wie Glasfasern, Urethanschaum und dergleichen.

Wie in Fig.3 angedeutet wird, kann die geneigte, lichtdurchlässige Vorderseite aus einer doppelten Glasfläche bestehen. Es ist jedoch günstig, auch nur eine einzelne Glasplatte vorzusehen. Palis eine einzelne Glasplatte 32 verwendet wird, setzt man vorzugsweise ein platiertes, lichtdurchlässiges Material 48 unmittelbar hinter die Glasplatte 32, um Hitzeverluste durch Konvexion und Strahlung nach Möglichkeit zu verringern. Ein schematischer Querschnitt einer solchen Anordnung ist in Fig.6 dargestellt. Ein derartiges plattiertes Material 48 kann beispielsweise aus einem Polycarbonatkunststoff bestehen, wie etwa Lexan oder einem anderen lichtdurchlässigen Kunststoff, wie Polyacrylate; das Material kann mit Hilfe von nicht dargestell-

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ten Metall- oder Stahlstiften am Rahmen der Fläche 16 befestigt werden.

Die Innenflächen des hohlen Kollektors und auch die öffnungen 17 und- 22 und die Luftleitungen 19 und 21 sind schwarz angestrichen oder mit einem schwarzen Material verkleidet. Vorzugsweise braucht Jedoch lediglich die Oberfläche der vertikalen •Wand 11 und die horizontale Grundfläche 12 schwarz zu sein, während die Innenflächen der Seitenwände 14 und 15 mit lichtreffektierenden Überzügen ausgekleidet sein können, so daß das auf diese vier Wände auftreffende Sonnenlicht· gegen die Wärmeaufnahme fläche an der vertikalen Rückwand und der horizontalen Grundfläche reflektiert wird.

Wichtig ist, daß ein geriffeltes Wärmeauffangelement 40 unter der Warmluftleitung an der vertikalen Bückwand 11 angeordnet ist. Vorzugsweise hat diese Wärmeauffangeinrichtung 40 einen im wesentlichen V-förmigen Querschnitt. Der von den beiden aneinander stoßenden, nebeneinander angeordneten Wänden des Wärmeaufnahmematerials 40, die den Scheiten des V darstellen j gebildete Winkel liegt gewöhnlich in der Größenordnung von 35°bis 55°» vorzugsweise beträgt er etwa 45°. Das Wärmeaufnahmeglied 40 kann aus einer großen Anzahl von Materialien bestehen, z.B. schwarz angestrichenem Leichtmetall, wie Aluminium, oder schwarz gefärbten Kunststoffen wie schwarz gefärbten Polycarbonaten, z.B. Lexan. Ein geriffeltes Wärmeaufnahme glied 40 ist vorzugsweise ebenfalls auf der horizontalen Grundfläche

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12 angeordnet, um diese im wesentlichen zu bedecken. Eine Mehrzahl von Öffnungen 42 sind in den Leitungen 21 und 19 vorgesehen, so daß die Luft mit beiden Tunneln und Tälern, die durch die geriffelten Wärmeaufnahmeglieder gebildet werden, in Verbindung steht. Ausserdem ist, wie in Pig. 8 dargestellt, ein Metallarm 46 vorgesehen, um das Wärme aufnahme glied 40 an der Leitung, beispielsweise der Leitung 21, zu befestigen.

Wie aus Pig. 4 ersichtlich, wird kalte Luft durch die Kaltluftzuführung 17 zur Kaltluftleitung 19 geführt und tritt durch die Öffnungen 42 in den Hohlraum ein. Die Luft strömt dann über und unter den geriffelten Wärme auffanggliedern 40 hindurch und aufwärts zur Heißluftleitung 21, wo sie gesammelt wird, und durch die Luftleitung 22 in das Gebäude zurückkehrt, um dort verwendet zu werden. Die Luftströmung ist schematisch durch Pfeile 20 in der Pig. 7 angedeutet. Überraschenderweise hat sich ergeben, daß die Kollektoreinheit gemäß der Erfindung eine Selbstregulierung aufweist, was die Innentemperatur anlangt. Wenn die Lufttemperatur im Kollektor über 65⁰C zu steigen beginnt, steigt die Luft, die normalerweise innerhalb der Vertiefungen des Wärmeaufnahmegliedes 40 strömt, im Kollektor an und strömt gegen die Vorderfläche 16, wobei überschüssige Wärme gegen die umgebende Atmosphäre abgegeben wird.

Wie aus Pig. 9 ersichtlich, besteht ein weiterer wichtiger Vorteil der Hitzeauffangeinrichtung 40 darin, daß die Hitzeübertragungsfläche des Sonnenkollektors um einen bedeutenden

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Faktor ohne Steigerung der Größe des Hohlraumes erhöht wird. Bei einem Höhenwinkel der Sonne zur Wand von -22 1/2° bis +22 1/2° wird das gesamte Wärmeaufnahmeglied 40 bestrahlt. Auf diese Weise werden fünf wirksame Wärmeübertragungsflächen geschaffen. !Tatsächlich beträgt das Verhältnis der Wärmeübertragungsfläche 5.23 : 1 gegenüber demge-nigen einer nackten Wand. Dabei tritt diese Erhöhung der wirksamen Wärmeaustauschfläche naturgemäß zusätzlich mit verhältnismäßig geringen Kosten ein. Überdies dient das gewellte Wärmeaufnahmeglied 40 auch als Kanal zur Lenkung der Luftströmung durch den Hohlraum.

Obwohl die Erfindung hier unter besonderer Bezugnahme auf eine Sonnenkollektoreinheit beschrieben ist, die in eine Dachkonstruktion eines Bauwerkes eingebaut ist, kann die Kollektoreinheit gemäß vorliegender Erfindung auch als alleinige Konstruktion auf einem flachen Dach angeordnet werden, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist, oder an der Seite eines Gebäudes montiert oder angebracht werden (vergl. KLgi 11), oder sie kann auch selbständig als eigene Einheit arbeiten, wie dies Pig. 12 zeigt.

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Claims (1)

1. PAgMT Atf SPBÜQHE

   Kollektor einheit für Sonnenstrahlen, bestellend aus einem im wesentlichen dreieckigen Gehäuse, das eine vertikale Hückwand (11), eine horizontale Grundfläche (12), Seitenwände (14,15) und eine geneigte,lichtdurchlässige Vorderseite (16) zur Aufnahme der Sonnenstrahlung besitzt, wobei Mittel zur Einleitung von Kühlluft (17) an der Grundfläche (12) und Mittel zur Ableitung von Warmluft (21) an der vertikalen Eiickwand (11) vorgesehen sind, während der Kollektor ein geriffeltes oder gewelltes Wärmeaufnahmeglied (40) besitzt, das mindestens gegenüber der vertikalen Rückwand (11) angeordnet ist.

   Sonnenkollektor einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gewellte oder geriffelte Wärmeaufnahmeglied (40) zusätzlich auch einen wensentlichen Teil der Grundfläche (12) bedeckt.

   Sonnenkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

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   das gewellte oder geriffelte Glied (40) im Querschnitt im wesentlichen V-förmig gestaltet ist, wobei die Seitenwände des V-förmi gen Gliedes sich längs erstreckende Tunnel und Vertiefungen bilden.

   4. Sonnenkollektor nach. Anspruch. 3, dadurch gekennzeichnet, daß der von den Wänden des geriffelten, V-förmigen Gliedes (40) gebildete Winkel in der Grö ßenordnung von 35° bis 55° liegt.

   5· Sonnenkollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel 45° beträgt.

   6. Kollektoreinheit für Sonnenwärme nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Einleiten von Kaltluft in die Sonnenkollektoreinheit (10) aus einer Leitung (17) bestehen, die sich horizontal von der vertikalen Bückwand (11) zur Vorderwand (16) der Kollektoreinheit erstreckt und hier in eine Leitung (19) mündet, die sich rechtwinklig zur Leitung (17) über die ganze Länge der Sonnenkollektoreinheit erstreckt.

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   7· Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Ableiten der Heißluft aus einer horizontalen angeordneten Leitung (21) bestehen, die am oberen Ende der vertikalen ■Rückwand (11) des Eollektors angeordnet ist und mit einer Leitung (22) in Verb indung steht, die sich vertikal abwärts von der Leitung (21) aus zur Grundfläche erstreckt.

   8. Sonnenkollektor nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (19,21) mit einer Mehrzahl von öffnungen (42) versehen sind, die mit den Tunneln und Vertiefungen des gewellten oder geriffelten warmeübertragungsglied (40) in ■ Verbindung stehen.

   9. Sonnenkollektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Einheit in das Dach (31) eines Gebäudes (26) eingebaut ist, das ein Schrägdach aufweist.

   10. Vorrichtung nach Anspruch 9» gekennzeichnet durch

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   unter !"ederdruck stehende Luftklappen (38), die sich öffnen, wenn die Temperatur eine bestimmte Maximaltemperatur überschreitet.

   11. Kollektoreinheit für Sonnenwärme vom Hohltyp, um Luft darin anzuwärmen, mit einem durchsichtigen Abschluß (16), der so angeordnet ist,daß er Sonnenstrahlung hindurchtreten läßt, um ein innen befindliches Wärme aufnahme glied zu heizen, dadurch gekennzeichnet, daß

   ein geriffeltes oder gewelltes Wärmeaufnahmeglied (40) von im wesentlichen V-förmigem Querschnitt in der Eollektoreinheit vorhanden ist, das in der Lage ist, Sonnenstrahlung aufzunehmen, wobei dieses gewellte oder geriffelte Glied (40) Kanäle und Vertiefungen besitzt, die durch Seitenwände des Gliedes gebildet werden, wobei die Vertiefungen und Kanäle mit Lufteinleitungen (19) zum Einleiten von Kaltluft in Verbindung stehen, um mit Hilfe dieses Wärmeübertragungsgliedes (40) Wärme zu übertragen, sowie Luftaustrittsleitungen (21), um Luft aus dem Hohlraum abzuleiten.

   12. Sonnenkollektor bestehend aus

   einem Gehäuse (10), das einen dreieckigen Querschnitt besitzt und durch eine vertikale Rück wand (11), eine Grundfläche (12) und eine 909846/0736

   geneigte, lichtdurchlässige Vorderwand (16) bestimmt ist, wobei das Gehäuse zwei vertikale Seitenwände (1A-, 15) aufweist, gekennzeichnet durch,

   ein gewelltes oder geriffeltes Wärme aufnähmeglied (40) gegenüber mindestens einem Teil der Eüekwand, das in der Lage ist, Sonnenstrahlung aufzunehmen, wobei dieses Wärme auf nahmeglied (40) V-förmigen Querschnitt besitzt, während die Winkel, die durch die Wände des gewellten oder geriffelten Wärme aufnahmegliedes (40) gebildet werden, in der Größenordnung von etwa 35° ^is 55° liegen, und wobei Mittel zum Einleiten von Luft (-17,19) mit einer bestimmten Temperatur in den Kollektor zum Wärmeaustausch mit der Wärmeauffangvorrichtung (4Q),und Mittel zum Ableiten von Luft mit einer anderen Temperatur aus dem Sonnenkollektor (10) vorgesehen sind.

   13- Sonnenkollektor nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch

   ein lichtdurchlässiges Isolierglied (48), das unmittelbar unter der lichtdurchlässigen Vorderwand angeordnet ist.

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   14·. Sonnenkollektor nacli Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß dieses lichtdurchlässige Isolierglied einen V-förmigen Querschnitt aufweist.

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