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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erwärmung
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eines Wärmeträgermediums durch Sonnenenergie, umfassend einen Behälter
für das Wärmeträgermedium mit einer mit dem Wärmeträgermedium in Wärmeaustauschkontakt
stehenden Strahlungsauffangfläche und eine im Weg der einfallenden Strahlung angeordnete
Linsenanordnung mit einer Mehrzahl von reihenförmig nebeneinanderliegenden Sammellinsen,
deren Abstand von der Strahlungsauffangfläche wenigstens annähernd gleich ihrer
Brennweite ist.
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Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE-OS 27 30
839 bekannt. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung ist der Behälter von einem rohrförmigen
Nollektor gebildet,durch den das Wärmeträgermedium hindurchströmt. Die Linsenanordnung
umfaßt eine Reihe von Flüssigkeitslinsen, die so ausgebildet und angeordnet sind,
daß die Brennflecken oder Brennstriche auf der Kollektoroberfläche oder in dem Xollektor
liegen. Diese Flüssigkeitslinsen bestehen aus einer im wesentlichen ebenen und einer
gekrümmten Fläche aus transparentem Material, wobei der Zwischenraum zwischen diesen
beiden Flächen mit einer Flüssigkeit mit relativ hohem Brechungsindex gefüllt ist.
Die Herstellung dieser Linsen ist relativ aufwendig. Es muß darauf geachtet werden,
daß die Linsen absolut dicht sind und keine Flüssigkeit auslaufen kann. Es muß beachtet
werden, daß die Flüssigkeit sich bei Erwärmung durch die einfallende Strahlung ausdehnen
kann, ohne die optischen Eigenschaften der Linsen zu verändern. Umgekehrt muß durch
Beifügen qeeigneter Frostschutzmittel gegebenenfalls dafür gesorgt werden, daß die
Linsenflüssigkeit nicht bei fehlender Sonneneinstrahlung einfrieren kann.
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Eine derartige Linsenanordnung ist daher für einen großflächigen
Einsatz
zu aufwendig und zu teuer.
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Aus der DE-OS 27 30 839 ist ferner eine Linsenanordnung bekannt, die
aus einer im wesentlichen ebenen transparenten und in eine Vielzahl von quadratischen
Feldern unterteilten Kunststoffplatte besteht, wobei in jedes der quadratischen
Felder eine Fresnel-Linse eingepreßt ist. Eine derartige Linsenanordnung ist zwar
relativ einfach und preiswert auch in großen Flächen herzustellen, hat aber den
Nachteil, daß sie die einfallende Strahlung nicht optimal ausnutzt. Denn zwischen
den kreisförmigen Fresnel-Linsen bleiben Bereiche, in denen die einfallende Strahlung
nicht gesammelt und auf der Strahlungsauffangfläche fokussiert werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art anzugeben, die mit geringem Aufwand und preiswert herzustellen ist
und bei der die auf die Linsenanordnung einfallende Strahlung optimal genutzt werden
kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß
jede Linsenreihe von einer Linsenleiste gebildet ist, deren eine Oberfläche konvex
und im wesentlichen zylindrisch gekrümmt ist mit zur Leistenlängsrichtung paralleler
Krümmungsachse und deren entgegengesetzte Oberfläche in eine Mehrzahl konvexer und
im wesentlichen zylindrisch gekrümmter Oberflächenabschnitte mit jeweils senkrecht
zur Leistenlängsrichtung verlaufender Krümmungsachse unterteilt ist.
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Eine derartige Linsenleiste läßt sich sehr einfach herstellen, indem
sie beispielsweise aus Kunststoff oder Glas gepreßt oder gegossen wird. Die sich
kreuzenden
Zylinderflächen bilden im Überschneidungsbereich jeweils
eine Sammellinse, wobei zwischen den Sammellinsen kein toter Raum entsteht, wie
dies bei der Anordnung von kreisförmigen Linsen in einer Ebene der Fall ist. Bei
Verwendung eines großflächigen Behälters für das Wärmeträgermedium,beispielsweise
auf einer Dachfläche eines Hauses, können eine Mehrzahl von Linsenleisten parallel
zueinander derart angeordnet sein, daß die mit ihrer Krümmungsachse senkrecht zur
Leistenlängsrichtung liegenden Oberflächenabschnitt der Linsenleisten miteinander
fluchten. Auf diese Weise entsteht ein rechteckiges Feld von Sammellinsen, die auf
der Strahlungsauffangfläche ein gitterförmiges Muster von Brennflecken erzeugen.
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Die Herstellung und der Einbau der Linsenleisten vereinfacht sich
außerordentlich, wenn die Linsenleisten zu einer einstückigen Linsenplatte vereinigt
sind, deren Oberflächen jeweils eine Mehrzahl von parallel zueinander liegenden,
konvexen Teilzylinderflächen mit gleichem Krümmungsradius umfassen, wobei die Krümmungsachse
der Zylinder flächen der einen Plattenoberfläche senkrecht auf den Krümmungsachsen
der Zylinderflächen der anderen Plattenoberfläche stehen. Derartige Platten können
in Einheiten bestimmter Größe vorgefertigt werden7 die dann je nach Bedarf zusammengesetzt
oder auseinandergeschnitten werden, um eine Strahlungsauffangfläche der gewünschten
Größe zu überdecken, wobei die Abmessungen der resultierenden Linsenanordnung im
wesentlichen mit den Abmessungen der Strahlungsoberfläche übereinstimmen. Die Linsenplatten
werden dabei beispielsweise durch Distanzelemente in dem vorgeschriebenen Abstand
zur Strahlungsauffangfläche gehalten. Diese kann auf ihrer der Linsenanordnung zugewandten
Seite geschwärzt sein, um die Wärmeaufnahme zu verbessern.
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Die Ausnutzung der eingestrahlten Wärme läßt sich noch dadurch verbessern,
daß der Raum zwischen der Strahlungsauffangfläche und der plattenförmigen Linsenanordnung
nach außen hin abgeschlossen ist. Dadurch entsteht der sogenannte Gewächshauseffekt,
da ein Austausch der zwischen der Linsenanordnung und der Strahlungsauffangfläche
befindlichen Luft und damit ein Abführen von eingestrahlter Wärme verhindert wird.
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Vorzugsweise besteht der Behälter für das Wärmeträgermedium aus einem
flachen Kasten mit mindestens einem Einlaß und einer Auslaßöffnung für das Wärmeträgermedium,
wobei die Behälterflächen mit Ausnahme der Strahlungsauffangfläche thermisch isoliert
sind.
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Die beiliegenden Figuren erläutern die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels.
Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Linsenanordnung,
und Fig. 2 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erwärmung eines
Wärmeträgermediums durch Sonnenenergie.
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Die in Fig. 1 dargestellte Linsenanordnung besteht im wesentlichen
aus einer transparenten Sunststoff- oder Glasplatte, deren beide Oberflächen sich
jeweils aus einer Mehrzahl von konvexen Teilzylinderflächen 12 bzw.
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14 zusammensetzen, wobei die Krümmungsachsen oder zylind£rachsen der
Zylinderflächen 12 senkrecht zu den Krümmungsachsen oder Zylinderachsen der Zylinderflächen
14 verlaufen. In dem Bberschneidungsbereich zweier senkrecht
zueinandergerichteter
Zylinderflächen 12 und 14 entsteht jeweils eine quadratische Sammellinse 16, so
daß die gesamte Platte 10 aus einem Feld von lückenlos aneinanderstoßenden Sammellinsen
16 besteht. In der dargestellten Ausführungsform besteht die Platte aus einem Feld
von 3 x 3 Sammellinsen 16. Man erkennt, daß aber derartige Platten in beliebiger
Größe hergestellt und ggfs. auch auf ein gewünschtes Maß zurechtgeschnitten werden
können, indem man die Platte längs einer Grenzlinie zwischen zwei Zylinderflächen
12 oder 14 durchschneidet. Dies ermöglicht eine preiswerte Massenherstellung der
erfindungsgemäßen Linsenanordnung, so daß sie für den Bau von großflächigen Sonnenkollektoren
beispielsweise auf einem Dach verwendet werden kann.
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Dabei kann die Linsenanordnung wie ein Fenster oder wie eine Dachabdeckung
in die Dachfläche eingebaut werden, ohne daß dadurch spezielle Schwierigkeiten für
die Abdichtung des Daches entstünden.
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Der Einbau einer Linsenanordnung gemäß Fig 1 in einer Vorrichtung
zur Erwärmung eines Wärmeträgermediums mittels Sonnenenergie ist in Fig. 2 im Schnitt
dargestellt.
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Diese Vorrichtung umfaßt einen Behälter 18 in Form eines flachen Kastens
mit einem Einlaß 20 und einem Auslaß 22 für das Wärmeträgermedium, das beispielsweise
mittels einer nicht dargestellten Umwälzpumpe durch den Behälter 18 gepumpt werden
kann. Über dem Behälter 18 und parallel zu seiner als Strahlungsauffangfläche 24
dienenden Oberseite ist die Linsenplatte 10 angeordnet. Sie wird durch Distanzelemente
26 in einem Abstand zur Strahlungsauffangfläche 24 gehalten, der im wesentlichen
der Brennweite der einzelnen Sammellinsen 16 entspricht. Dadurch wird die einfallende
Strahlung 28 auf der Strahlungsauffangflache 24 zu einzelnen Brennflecken gebündelt,
wie dies
in Fig. 2 durch den schematisch eingezeichneten Strahlengang
wiedergegeben ist. Bei einer Linsenfläche von beispielsweise einem Quadratzentimeter
ergibt sich auf der Strahlungsauffangfläche 24 ein dichtes Gitter von Brennflecken,
in denen eine relativ hohe Temperatur herrscht Im Gegensatz zu einer einfachen glatten
Glasplatte ermöglicht es die erfindungsgemäße Linsenanordnung, auch schräg einfallende
Strahlung bei tiefstehender Sonne noch einzufangen und auf der Strahlungsauffangfläche
24 zu fokussieren.
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Mit Ausnahme der Strahlungsauffangfläche sind sämtliche Behälterwände
von einer Wärmeisolierschicht 30 umgeben, um ein Abfließen der Wärme durch die Behälterwände
hindurch zu vermeiden.
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Die vorstehende Beschreibung zeigt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung
ohne Mühe in beliebigen Größen hergestellt und beispielsweise auch noch nachträglich
in Dachflächen eingebaut werden kann. Die Anordnung kann auch unter einem Dachfenster
innerhalb des Hauses angeordnet werden, so daß sie leicht zugänglich und vor Witterungseinflüssen
geschützt ist In diesem Fall müssen natürlich die Dachfenster klare Glasscheiben
haben, die erfahrungsgemäß nur ca. 1 t der einfallenden Sonnenstrahlung abschirmen.
Die Zu- und Ableitungen für das Wärmeträgermedium können dann auf einfache Weise
im Inneren des Dachraumes verlegt werden. Bei einer Ver wendung von Wasser als Wärmeträgermedium
ist damit die erfindungsgemäßc- Vorrichtung leichter gegen Frost zu schützen.
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