DE2819606A1

DE2819606A1 - Sonnenkollektor-vorrichtung

Info

Publication number: DE2819606A1
Application number: DE19782819606
Authority: DE
Inventors: Peter Heinrich Erwin Margen; Rutger Arvid Roseen; Heimo Dr Zinko
Original assignee: Studsvik Energiteknik AB
Current assignee: Studsvik Energiteknik AB
Priority date: 1977-05-06
Filing date: 1978-05-05
Publication date: 1978-11-09
Also published as: FR2389849A1; CA1100838A; JPS53138528A; SE7705325L; FR2389849B3; US4227511A; GB1599829A

Description

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Sonnenkollektor-Vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Sonnenkollektor-Apparatur mit einem Tisch, der um eine vertikale Achse drehbar ist, wobei der Sonnenkollektor von diesem Tisch getragen wird, mit Einrichtungen zum Drehen des Tisches um diese Achse derart, daß der Sonnenkollektor der Wanderung der Sonne folgt, wobei der Sonnenkollektor mehrere Sonnenstrahlenkonzentriereinrichtungen besitzt, mit einem Wärmeabsorber im Brennpunkt einer jeden Konzentriereinrichtung und mit einer Pumpe und mit Kontrolleinrichtungen zum Zirkulieren einer Flüssigkeit durch die Wärmeabsorber und durch ein Flüssigkeitsmagazin.

Eine Apparatur des oben erwähnten Typs ist bereits aus der Veröffentlichung "Solar Electricity, International Conference, Toulouse, Frankreich, 1. bis 5. März 1976, Seite 919, von K. Krebs entsprechend der DE-OS 24 41 770" bekannt.

Besonders wenn der Tisch, der den Sonnenkollektor trägt, als ein isolierender Deckel für ein Flüssigkeitsmagazin verwendet werden soll, dessen Flüssigkeit durch den Sonnenkollektor erhitzt werden soll, treten einige Probleme auf.

Ein Problem betrifft die Tatsache, daß ein Magazin aus Wärjpe-

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isoliergründen die kleinstmögliche Naßfläche bezüglich des Volumens haben sollte. Dies bedeutet, daß die obere dem Wasser ausgesetzte Oberfläche des Magazins relativ klein sein sollte, während der Sonnenkollektor so groß wie möglich sein sollte, um in der Lage zu sein, während der warmen Jahreszeit das gesamte Flüssigkeitsvolumen zu wärmen.

Daher sollte die wirksame Sonnenkollektoroberfläche während des gesamten Tages so groß wie möglich sein. Wenn jedoch die Sonnenkollektoreinheiten beispielsweise aus kreisförmigen Kollektorlinsen bestehen, deren Brennpunkt auf den Wärmeabsorbern liegt, müssen Einrichtungen vorgesehen sein, um die Sonnenkollektoreinheiten derart zu steuern, daß sie nach der Sonne ausgerichtet sind, wenn die Sonnenhöhe während des Tages und während der Jahreszeiten sich verändert. Eine solche Steuereinrichtung ist aber unannehmbar teuer.

Außerdem ist die wirksame Sonnenkollektorlache so konstruiert, daß sie für eine bestimmte Sonnenhöhe auf einem Maximum ist. Sobald aber die tatsächliche Sonnenhöhe von dem angenommenen Wert abweicht, neigen die Sonnenkollektoreinheiten dazu, einander zu beschatten bzw. unwirksame Bereiche zwischen sich zu lassen, so daß die Wirksamkeit des Sonnenkollektors stark vermindert wird.

Etwa die gleichen Probleme würden auch dann auftauchen, wenn für Konzentriereinrichtungen längliche Reflektorrinnen

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verwendet würden, die mit ihren Achsen senkrecht zu der Sonnenrichtung orientiert sind.

Ein Hauptziel der Erfindung ist es daher, eine Apparatur des allgemeinen oben dargestellten Typs derart zu verbessern, daß die erwähnten Nachteile vermindert oder ausgeschaltet werden. Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, bestimmte neue Konstruktionsmerkmale für Elemente einer solchen verbesserten Apparatur zu bekommen.

Somit betrifft die Erfindung eine Apparatur mit einem Tisch, der um eine vertikale Achse drehbar ist, einem von dem Tisch getragenen Sonnenkollektor, Einrichtungen zum Drehen des Tisches um seine Achse derart, daß der Sonnenkollektor der Wanderung der Sonne folgt, wobei der Sonnenkollektor mehrere Sonnenstrahlungskonzentriereinrichtungen umfaßt, einem Wärmeabsorber im Brennpunkt einer jeden Konzentriereinrichtung sowie Pump- und Steuereinrichtungen zur Zirkulierung von Flüssigkeit durch die Wärmeabsorber und ein Flüssigkeitsmagazin, und die erfinderischen Verbesserungen sind dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentriereinrichtungen länglich und parallel zueinander angeordnet sind, daß die Wärmeabsorber aus in den Brennlinienbereichen der Konzentriereinrichtungen liegenden Rohrleitungen bestehen, daß die Konzentriereinrichtungen auf dem Tisch mit ihrer Längsachse in der vertikalen Ebene der Sonnenrichtung ausgerichtet angeordnet sind und daß die Einrichtungen zum Drehen des Tisches so ausgebildet sind, daß sie eine solche Ausrichtung der Konzentriereinrichtungen beibehalten.

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Vorzugsweise werden die Konzentriereinrichtungen von länglichen positiven Linsen, vorzugsweise sogenannten Fresnel-Linsen gebildet. Solche länglichen Fresnel-Linsen können durch Extrudieren eines transparenten Kunststoffes hergestellt werden. Die Linsen können dann ziemlich breit gemacht werden. Wenn solche Linsen nebeneinander angeordnet werden, bilden sie einen Überzug über dem Tisch, so daß das Volumen zwischen den Linsen und dem Tisch leicht abgedichtet werden kann. Daher begrenzen die Linsen auch eine stationäre Luftschicht oberhalb der Wärmeabsorber,und diese Luftschicht vermindert den Wärmeverlust von den Absorbern infolge einer Konvektion.

Alternativ können die Konzentriereinrichtungen auch aus Reflektorrinnen mit einem im wesentlichen parabelförmigen Profil bestehen. Die Rinnen können von einem gefalteten Bogen derart gebildet werden, daß die Rinnen einstückig miteinander verbunden sind. Der gefaltete Bogen kann eine mittlere Schlaufe in jeder Rinne umfassen, und die Schlaufe kann beispielsweise mit Hilfe einer Schweißnaht geschlossen sein, um die Rohrleitungen zu bilden. Da es schwierig sein kann, die Rinnen mit einem genauen Profil zu bilden, ist es bevorzugt, die Rohrleitungen in der vertikalen Richtung derart sich erstrecken zu lassen, daß ihre Höhenabmessung größer als ihre Breitenabmessung ist. Dadurch trifft die von den Rinnenoberflächen refäctierte Sonnenstrahlung auf die Rohrleitung, selbst wenn die Brennlinien der Rinnen diffus sind. Um die Energieabsorptionsfähigkeit der Rohrleitungen zu verbessern, können diese beispielsweise mit einer rauh mat-

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tierten oder schwarzen Oberfläche versehen sein. Vorzugsweise sind die Rinnen mit Glas oder glasklarem Kunststoff derart bedeckt, daß Wärmeverluste infolge einer Konvektion und Rückstrahlung vermindert werden. Vorzugsweise sind die Längsachsen der Konzentriereinrichtungen unter einem Winkel zur Horizontalebene angeordnet, um zu gestatten, daß Regenwasser oder Schnee von den Konzentriereinrichtungen oder ihren Abdeckungen abgleitet. Die obere Oberfläche des Tisches kann dann unter einem Winkel

geneigt

zur Sonne abwärts angeordnet sein, und die Konzentriereinrichtungen können parallel zu der oberen Fläche des Tisches angeordnet sein.

Der Tisch wird normalerweise als ein Deckel auf einem Flüssigkeitsmagazin benutzt. In einem solchen Fall sollte der Deckel gute Wärmeisolationseigenschaften haben. Dies kann erreicht werden, indem man den Tisch beispielsweise aus Schaumbeton oder Schaumkunststoff herstellt. In einem solchen Fall hat der Tisch eine Dichte, die geringer als jene der Flüssigkeit in dem Magazin ist, so daß der Tisch auf der Flüssigkeit schwimmt, wodurch das Wasser einen Träger für den Tisch hildet.

Wenn die obere Oberfläche des Tisches aus einem zellförmigen Material, wie geschäumtem Kunststoff oder zellförmigem Kunststoff, besteht, ist es vorstellbar, die Reflektorrinnen in dem Tisch einzuformen, indem man Vertiefungen in die obere Fläche des Tisches mit einem Profil entsprechend dem der Reflektorrinnen einschneidet und die Vertiefungen mit einem reflektieren-

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den Material bedeckt. Stattdessen i=t es vorstellbar, Profile aus geschäumtem Kunststoff mit einer oder mehreren solchen rinnenförmig ausgebildeten Vertiefungen zu extrudieren und solche Profile unter Bildung des Tisches miteinander zu verbinden. Die Bedeckung aus Glas oder glasklarem Kunststoff über den Rinnen kann Stufenform haben, so daß die Oberfläche der Bedeckung in maximalem Umfang in einer Ebene senkrecht zu der Sonnenstrahlungsrichtung liegt.

Der Deckel ist vorzugsweise kreisförmig.

Nachfolgend werden nunmehr einige Ausführungsbeispiele von Ausführungsformen nach der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 schematisch einen vertikalen Schnitt durch eine Apparatur nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf die Apparatur nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Detail der Apparatur nach Fig. 1,

Fig. 4 eine mögliche Ausführungsform eines Sonnenkollektors für die Apparatur nach der Erfindung,

Fig. 5 ein Detail einer möglichen Ausführungsform nach der Erfindung,

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Fig. 6 eine Variante einer Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig. 7 einen schematischen vertikalen Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Apparatur nach der Erfindung und

Fig. 8 einen Querschnitt entlang der Linie VIII-VIII in Fig.

In Fig. 1 bedeutet das Bezugszeichen 1 allgemein ein Wassermagazin mit einer kreisförmigen Oberfläche. Der kreisförmige iso-lationstisch 2 schwimmt auf der Wasseroberfläche des Magazins. Der Tisch 2 bedeckt die gesamte obere Oberfläche des Magazins und verhindert Wärmeverluste aus dem Magazin teils durch seine Wärmeisoliereigenschaften, teils durch seine Verdampf ungsvermindernde Wirkung. Eine Antriebseinrichtung 3 ist so angeordnet, daß der Tisch oder Deckel 2 mit einer Geschwindigkeit von einer Umdrehung je 24 Stunden sich dreht, so daß der Sonnenkollektor 4, der auf dem Deckel befestigt ist, die ganze Zeit nach der Sonne ausgerichtet gehalten wird. Der Sonnenkollektor 4 umfaßt mehrere im wesentlichen horizontale Reflektorrinnen, die nebeneinander angeordnet sind und deren Längsachsen

„ , , Sonnenstrahlenrichtung in einer vertikalen Ebene durch die ausgerichtet sind.

Die Antriebseinrichtung 3 ist so angeordnet, daß die Rinnen die ganze Zeit nach der Sonne hin ausgerichtet sind. Die Rohrleitung 5 erstreckt sich mittig in jeder Rinne 14, und diese Rohrleitung 5 führt Wasser, welches erhitzt wird, und zwar teilweise direkt durch die Sonnenbestrahlung und teilweise indirekt durch die von den Wänden der Rinne 14 reflektierten Strahlen. Die Rohrleitung 5 ist mit einer Einlaßröhre 6 verbunden, die sich vom unteren Abschnitt 1B des Magazins aus erstreckt, und

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außerdem ist die Rohrleitung 5 an ihrem anderen Ende mit einer Auslaßröhre 7 verbunden, die in dem oberen Abschnitt 1A des Magazins 1 endet. Eine Pumpapparatur 8, die von einem Thermostaten gesteuert wird, kann so angeordnet sein, daß sie einen geeigneten Wasserfluß durch die Rohrleitungen 5 aufrecht hält in Abhängigkeit von dem von der Sonnenbestrahlung angebotenen Heizeffekt.

Das Wassermagazin 1 kann als ein Akkumulator vom Schichtentyp sein, worin die obere heiße Schicht 1A auf der unteren kalten Schicht 1B schwimmt. Der Schichtungseffekt kann dadurch verbessert werden, daß man eine Kunststoffolie in der Grenzschicht zwischen dem kalten und dem warmen Wasser derart anordnet, daß eine solche Kunststoffolie den Vertikalbewegungen der Granzschicht folgt und ein Vermischen zwischen der heißen und der kalten Flüssigkeit verhindert. Wie in Fig. 1 erläutert ist, ist eine Auslaßleitung 9 mit der heißen Sch-icht und eine Einlaßleitung 10 mit der kalten Schicht verbunden, wobei die Leitung 9 benutzt wird, heißes Wasser zu Heizzwecken abzugeben und Leitungswasser in Wohnungen, wie Villen und dgl. zu erhitzen, wobei das gekühlte Wasser über Leitung 10 zu dem Magazin zurückgeführt wird.

Ein hervorstechendes Merkmal der Erfindung ist jenes, daß die Sonnenkollektoreinheiten, hier die Reflektorrinnen 14, entsprechend der Sonnenrichtung ausgerichtet sind. Hierdurch behält der Sonnenkollektor eine sehr hohe Effizienz trotz der Veränderungen der Sonnenhöhe während des Tages und während der Jahreszeiten. 809845/1016

In Fig. 3 sind Reflektorrinnen 14A mit einem im wesentlichen parabelförmigen Querschnitt gezeigt, wobei die Rohrleitungen 5 in der Brennlinie der Röhren angeordnet sind.

In Fig. 4 ist eine alternative Ausführungsform der Rinnen aus einem gefalteten Bogen gezeigt. Der Bogen ist in der Weise gefaltet, daß primär Rinnen mit einem allgemein halbkreisförmigen Querschnitt gebildet werden, und in der Mitte einer solchen Rinne mit halbkreisförmigem Querschnitt ist der Bogen unter Bildung einer Schlaufe oder einer Wulst 5A gefaltet, die an der Unterseite mit Hilfe einer Schweißnaht oder dgl. verschlossen ist, so daß diese geschlossene Schlaufe eine Rohrleitung für zu erhitzendes Wasser bildet. Die Schlaufe 5A ist in der vertikalen Ebene länglich,und dies ist von Vorteil, da die Form der Rinne 14B wahrscheinlich von der genau beabsichtigten Form abweicht, so daß die reflektierte Strahlung nicht in einer bestimmten Linie konzentriert wird, sondern eher einen diffusen Brechungslinienbereich bildet. Da außerdem die Sonnenstrahlung einen bestimmten Winkel zu der Horizontalebene und zu der Längsachse der Rinnen hat, neigt die reflektierte Strahlung dazu, etwas gestreut zu werden, und daher kann es erwünscht sein, daß die Rohrleitungen 5A in der vertikalen Ebene länglich sind, selbst im Fall, daß die Reflektorrinnen eine sehr genaue Krümmung haben.

In Fig. 5 ist ein Schnitt gezeigt, den man sich entlang der Linie V-V in Fig. 3 vorstellen kann, worin eine Bedeckung 20 über der Rinne 14 angeordnet ist. Die Bedeckung 20 besteht

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zweckmäßig aus Glas oder einem glasklaren Kunststoff, so daß sie hauptsächlich Wärmeverluste infolge Konvektion und Rückstrahlung vermindert. Die Abdeckung 20 besitzt Stufenform, um Oberflächen zu bekommen, die in der Ebene normal zu der einfallenden Sonnenstrahlung liegen, wodurch Reflektionsverluste vermindert werden. Alternativ kann die Abdeckung auch bloß eine kuppeiförmige oder flache Abdeckplatte über den gesamten Rinnen sein.

In Fig. 6 ist eine Ausführungsform gezeigt, worin der Deckel 2A ein keilförmiges Profil besitzt, so daß die obere Fläche des Deckels 2A abwärts zu der Sonne hin geneigt ist. Dadurch können Regenwasser und Schnee leicht von dem Sonnenkollektor abfließen. Außerdem bietet eine solche Keilform die Möglichkeit, die Sonnenkollektoreinheiten näher an einer zur Sonnenrichtung normalen Ebene anzuordnen, wodurch unter anderem Reflektionsverluste vermindert werden.

In Fig. 7 ist ein Magazin 1 gezeigt, auf welchem eine Deckel 2 schwimmt. Der Deckel 2 hat Keilform, um seine obere Fläche näher an der zur Sonnenrichtung normalen Ebene liegen zu lassen. Entlang der oberen Fläche des Deckels 2 sind Rohrleitungen 5 angeordnet, mit denen Röhren 6 und 7 verbunden sind, die in der kalten Schicht und der warmen Schicht des Magazins 1 enden. Wie in Fig. 8 besser gezeigt ist, werden Linsen 24 benutzt, um die einfallende Sonnenstrahlung auf den Rohrleitungen 5 zu konzentrieren. Die Linsen sind vorzugsweise in Form von Fresnel-Linsen, wodurch die maximale Dicke der Linsen vermindert wird.

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Vorzugsweise bestehen die Fresnel-Linsen 24 aus einem glasklaren leichten Kunststoff, wodurch die Linsen eine ziemlich große Breite besitzen können. Die Linsen 24 sind Kante an Kante in einer Ebene parallel zu der oberen Fläche des Deckels 2 und zu der Ebene, in welcher die Rohrleitungen 5 liegen, angeordnet. Die Linsen 24 werden von dem Deckel 2 durch Stützen oder Trennwände 30 getragen. Die Linsen 24 bilden selbst eine Abdeckung über der oberen Fläche des Deckels 2. Um das Volumen zwischen den Linsen 24 und dem Deckel 2 abzudichten, können Platten 31 so angeordnet sein, daß sie den Kantenbereich des Volumens bedecken. Dadurch wirkt das abgedichtete Volumen zwischen den Linsen 24 und dem Deckel 2 als eine zusätzliche Isolation, die Rückstrahlungs- und Konvektionsverluste vermindert. Wenn erwünscht, kann das abgedichtete Volumen mit einem geeigneten Gas, wie Kohlendioxid, gefüllt sein, um die Wärmegewinnung zu verbessern. Vorzugsweise erstreckt sich jede Konzentriereinrichtung zusammenhängend über die gesamte Länge des Deckels, so daß bloß die äußersten Enden der Konzentriereinrichtungen durch die Veränderung der Sonnenhöhe beeinflußt werden, und die Brennweite der Konzentriereinrichtungen ist vorzugsweise kurz, um so den Energieverlust an den Konzentriereinrichtungsenden auf ein Minimum zu reduzieren.

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L e e r s e i f e

Claims

Dr. Hans-Heinrich Willrath f

Dr. Dieter Weber Dipl.-Phys. Klaus Seiffert

PATENTANWÄLTE

D - 6200 WIESBADEN 1 , 2 . Mai 1978 Postfach 6145

Gmtav-Freyttg-Straße & (0 6121)37 2720 Telegrammadresse: WILLPATENT Telex: 4-186 247

AEP-1055

Aktiebolaget Atomenergi Liljeholmsvägen 32, Stockholm / Schweden

Sonnenkollektor-Vorrichtung

Priorität: 6. Mai 1977 in Schweden Anmelde-Nr. 77-05325-4

Patentansprüche :

( Iy Sonnenkollektor-Vorrichtung mit einem Tisch oder einer

Platte, der bzw. die in einer horizontalen Ebene drehbar ist, einem von dem Tisch bzw. der Platte getragenen Sonnenkollektor, Einrichtungen zum Drehen des Tisches bzw. der Platte in der horizontalen Ebene derart, daß der Sonnenkollektor der Sonne folgt, wobei der Sonnenkollektor mehrere Sonnenstrahlungskonzentriereinrichtungen aufweist, einem Wärmeabsorber in dem Brennpunkt einer jeden Konzentrierein-

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Postschedc: Frankfurt/Main 67 63-602

Bank: Dresdner Bank AG, Wiesbaden, Konto-Nr. 276 807

richtung sowie Pump- und Steuereinrichtungen für die Zirkulation einer Flüssigkeit durch die Wärmeabsorber und ein Flüssigkeitsmagazin, dadurch gekennzeich net, daß die Konzentriereinrichtungen (14, 24) länglich und parallel zueinander angeordnet sind, daß die Wärmeabsorber (5) aus in den Brennlinienbereichen der Konzentriereinrichtungen liegenden Rohrleitungen bestehen, daß die Konzentriereinrichtungen auf dem Tisch bzw. der Platte (2) derart angeordnet sind, daß ihre Längsachsen nach der vertikalen Ebene der Sonnenstrahlung (s) ausgerichtet sind, und daß die Einrichtungen (3) zum Drehen des Tisches bzw. der Platte so ausgebildet sind, daß sie eine solche Einstellung der Konzentriereinrichtungen beibehalten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentriereinrichtungen (24) Seite an Seite derart angeordnete Linsen sind, daß diese die Oberfläche des Tischs bzw. der Platte (2) bedecken.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen Fresnel-Linsen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Linsen aus einem transparenten extrudierten Kunststoffmaterial bestehen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

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daß sich zwischen der Oberfläche des Tischs bzw. der Platte (2) und den Kanten der Linsen (24) Platten (31) derart erstrecken, daß das Volumen zwischen den Linsen (24) und der Oberfläche des Tischs bzw. der Platte (2) geschlossen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentriereinrichtungen (14) aus Reflektorrinnen bestehen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Rohrleitungen (5) in der vertikalen Ebene länglich ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinnen (14) und die Rohrleitungen (5) einstückig aus einem gefalteten Bogen bestehen, der eine Reihe von Rinnen bildet, welche jeweils eine sich in die Rinnenhöhlung erstreckende mittige Schlaufe besitzen, wobei der Boden der Schlaufe dicht verschlossen ist und die Schlaufe so die Rohrleitung (5) bildet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinnen mit einer transparenten Abdeckung (4) bedeckt sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentriereinrichtungen (14, 24) derart angeordnet sind, daß ihre Längsachsen im Winkel zu der horizontalen

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Ebene liegen und die Konzentriereinrichtungen zu der Sonne hin abwärts geneigt sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel etwa 25° beträgt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinnen aus länglichen Vertiefungen in der Oberfläche des Tischs oder der Platte (2) bestehen und mit einem reflektierenden Material, wie mit einem Metallüberzug, beschichtet sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Tisch oder die Platte (2) so angeordnet ist, daß er bzw. sie auf der Flüssigkeit des Magazins (1) schwimmt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Magazin kreisförmig ist und der Tisch bzw. die Platte (2) die Flüssigkeitsoberfläche des Magazins bedeckt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Tisch bzw. die Platte aus einem wärmeisolierenden Material, wie Schaumbeton oder geschäumtem Kunststoff, besteht.

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