„Solarer Destillierkollektor"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Destillieren von Flüssigkeiten mittels Solarenergie. Hierzu dient ein flacher Solarkollektor, im Folgenden Destillierkollektor genannt, in welchem alle Verfahrensstufen angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung besonders geeignete Verwendungen des Destillierkollektors.

Solare Destillation ist ein seit mehr als 100 Jahren bekanntes Verfahren, um z.B. mit Solarenergie Meerwasser zu entsalzen. Solche Anlagen sind international bekannt unter dem Begriff „Solar Still" und funktionieren mit dem sog. „Greenhouse Effect" (Gewächshaus Effekt).

Bekannte Weiterentwicklungen sind: a) Kaskadenmodelle

Eine Weiterentwicklung mit dem Ziel den Dampfraum zu verkleinern und damit den Dampfweg zu verkürzen. Das Meerwasser rieselt kaskaden- oder mäanderförmig über Stufen unter der transparenten Abdeckung. Nachteilig für den Wirkungsgrad sind Wärmeverluste durch hohen Rohwasser-Durchflussbedarf und die noch immer beträchtliche Distanz des Dampfwegs. Bautechnisch gesehen ist dieses System sehr kompliziert und darum teuer. Durch die Art der Rohwasserführung ergeben sich überhitzte Zonen, an deren Rändern es zu Verkrustungen kommt. Bedeutende Verbesserungen des Wirkungsgrad und andere wirtschaftliche Vorteile wurden mit dieser Idee nicht erreicht. b) Dochtmodelle

Sie wurden in den 1950-er Jahren entwickelt. Auch hier ging es hauptsächlich darum, den ungünstig großen Dampfraum zu verkleinern und überdies im Anstellwinkel zur Solarstrahlung flexibel zu sein. Weitere Vorteile ergaben sich aus einer geringen Wassermenge, die auf einem Absorber zu erwärmen war. Im einfachsten Fall saugen Dochte aus einer Rinne Meerwasser und fuhren es durch Kapillarwirkung über einen Absorber. Fehlentwicklungen verfolgten die Idee, auch mit der Rückwand in eine zweite Kondensatrinne zu kondensieren. Es erwies sich, dass mehr Kondensationsfläche nicht automatisch mehr Produktion bedeutet, denn bei Destillierkollektoren dieser Bauart genügt die transparente Abdeckung als Kondensationsfläche vollkommen. Die unisolierte Rückwand hingegen verursacht nur enorme Wärmeverluste. Eine Weiterentwicklung wurde 1986 unter DE 3618279 Al angemeldet. Ein ungelöstes Problem blieb die Verkrustung der Dochte und die Regelung der Rohwasserzufuhr. Alle Dochtmodelle gelangten nie zu einer Marktreife. c) Mehrstufige Verfahren

Hier handelt es sich um Apparate welche Flüssigkeiten verdampfen und wieder kondensieren, wobei die Kondensationswärme zurück gewonnen und in einer weiteren Stufe als Verdampfungswärme genutzt wird. Diese Verfahren sind eigentlich den herkömmlichen Meerwasserentsalzungsanlagen zuzuordnen und bekannt als Mehrstufenverdampfung

(MSF - Multistage flash evaporation) und Multi-Effekt-Destillation (MED - multiple effekt distillation). Allein weil die Energie für diese Systeme mit Solarkollektoren bereit gestellt wird, wobei es sich hier auch um korrosionsbeständige Spezialkollektoren handeln kann, welche Meerwasser direkt erwärmen, werden solche Anlagen den solaren Verfahren zugeordnet. Für alle bekannten Varianten ergeben sich immens hohe Investitionskosten, so, dass eine Wirtschaftlichkeit, im Vergleich mit Anlagen konventioneller Energieversorgung, nicht erreicht wird. c) Pultmodelle

Hier handelt es sich um eine weitere Variante der „Solar-Still-Versionen", angemeldet unter DE 198 12 007 Al. Die Möglichkeiten eines Reflektoreinbaus und Isolierung der Randstreifen erhöhen die Leistung pro m ² . überdies ist der Einbau von Kühlflächen für die Kondensation möglich, welchen die Kondensationswärme zurück gewinnen, so dass sie für andere Zwecke verfügbar wird und nicht, wie bei einfachen Solar-Still-Versionen, an die Außenluft verloren geht. Die zusätzlichen Investitionskosten (für die Rückgewinnung von Kondensationswärme) haben sich für die Trinkwasserproduktion als nicht wirtschaftlich erwiesen. Hingegen ergeben sich für industrielle und solar-chemische Zwecke gute Möglichkeiten. d) überlebens- und Kleinmodelle

Hier sind sog. Glockenmodelle bekannt, bei denen kleine Glas- oder Kunststoffhauben abnehmbar über Wasserschalen angeordnet sind. Außer zur Destillation von Wasser dienten einige auch der solaren Gewinnung von ätherischen ölen. Insbesondere für die Gewinnung von Rosenöl wurde eine pyramidenförmige Konstruktion bekannt. Als neuere Entwicklung ist ein Gerät namens Watercone® im Handel. Der Nachteil dieser Geräte ist eine geringe Produktion pro m ² bei relativ hohen Investitionskosten, sowie die geringe Lebensdauer. Auch lässt sich ihr Betrieb kaum automatisieren. e) Solare Destillier-Flachkollektoren

Solare Destillier-Flachkollektoren der Anmeldung DE 101 41 033.6 folgen den Erkenntnissen bei den Dochtmodellen, dass ein möglichst geringer Abstand zwischen der zu verdampfenden Flüssigkeit und der Kondensationsfläche vorteilhaft ist. Sie besitzen zwar auch Dochte, welche allerdings keine Aufgabe von Dochten im eigentlichen Sinn mehr haben, sondern allein eine wasserleitende und verteilende Funktion. Diese Destillierkollektoren sind dem hier angemeldeten in ihrem Grundprinzip sehr ähnlich, weisen im Vergleich jedoch einige Nachteile auf. Insbesondere ist zu nennen, dass das Kollektorgehäuse aus Blech ein unabdingbarer Bestandteil des Kollektors war und auch der Absorberboden aus Blech bestand.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der insbesondere der Wirkungsgrad und die Ausbeute eines solaren Destillierkollektors verbessert und optimiert wird.

Mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass Flüssigkeiten zwischen einer schrägen Bodenscheibe und

einer transparenten Abdeckscheibe, beide vorzugsweise aus Glas, in einem Kollektor abrinnen und mittels Solarenergie erwärmt werden, wonach die Flüssigkeiten teilweise verdampfen, der Dampf unter der Abdeckscheibe kondensiert und als abrinnendes Kondensat in einer Destillatrinne aufgefangen wird.

Mit einem Kollektor der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die Abdeckscheibe so strukturiert ist, dass sich die eintretende Soiarstrahiung zu Funkten oder senk- oder waagerechten Linien auf der Absorberϊläche konzentriert, wobei weitere Ausgestaltungen der Erfindung sich aus den Unteransprüchen ergeben.

Die Destillierkollektoren dieser Anmeldung bestehen aus zwei Scheiben, Bodenscheibe und Abdeckscheibe genannt, vorzugsweise aus speziellem Solarglas, welche isolierglas- ähnlich zueinander angeordnet sind. Solarglas hat gegenüber normalem Floatglas den Vorteil einer besseren Strahlungsdurchlässigkeit. Außerdem werden diese Gläser vorgespannt, was eine geringere Glasdicke ermöglicht. Des Weiteren haben diese Scheiben die Eigenschaften von Einscheiben-Sicherheitsglas (ESG), nämlich eine hohe Biege-, Schlag- und Stoßfestigkeit. Sie werden bei Glasbruch zerkrümeln, was die Unfallgefahr mindert.

Weitere Vorteile von Glas, im Vergleich mit Blech, sind ein geringerer Wärmeausdehnungskoeffizient, wodurch sich insbesondere die Absorberfläche weniger wölbt, was geringere Spaltbreiten zulässt. Auch die Korrosionsbeständigkeit ist deutlich verbessert, die insbesondere bei der Verwendung zur Destillation von Meerwasser eine große Bedeutung hat.

Die Abdeckscheibe kann innen so strukturiert sein, dass sich die eintretende Solarstrahlung auf der Absorberfläche konzentriert. Hiermit werden partiell Zonen höherer Temperatur erreicht, in senk- oder waagerechten Linien, oder in Punkten. Solche Strukturierung verbessert den Wirkungsgrad, denn die Aufnahmefähigkeit von Wasserdampf in der Luft zwischen den Scheiben wird mit steigender Temperatur exponentiell größer.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 einen Schnitt durch den Grundaufbau des Kollektors,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch den Kollektor,

Fig. 3 eine Aufsicht auf den Kollektor, teilweise aufgeschnitten, sowie in

Fig. 4 eine vergrößerte Ausschnittdarstellung.

Die Flüssigkeit gelangt über die Eingangsbuchse 1 in die Eingangsrinne 2 und wird über die Dochte 4 auf der Absorberfläche 5 verteilt. Die Eingangsrinne 2 wird durch einen Steg 3 gebildet, welcher in Schlitzen die Dochte 4 hält.

Es sind die Bodenscheibe 6 und die Abdeckscheibe 7 zu sehen, zwischen welchen sich die Absorberfläche 5 befindet. Die Absorberfläche 5 ist mit einem Vlies kaschiert dargestellt. Der Abstand zwischen Bodenscheibe 6 und Abdeckscheibe 7 wird durch Fußspacer 18 und Kopfspaccr 19 bestimmt (ergänzend sind in Fig. 3 die Seiienspacer 2i dargestellt).

Die erwärmte Flüssigkeit verdampft von der Absorberfläche 5 und kondensiert unter der Abdeckscheibe 7, wo es in die Destillatrinne 14 rinnt. Vorbeugend gegen Undichtigkeiten der Fuge zwischen Fußspacer 18 und Abdeckscheibe 7 dient die Tropfnase 20. Das Destillat verlässt den Kollektor durch den Destillatausgang 15.

Der Fangwinkel 13 bildet die Sumpfrinne 11 , in welcher sich nicht verdampfte Flüssigkeit sammelt, um als Sumpfprodukt über die Sumpfausgänge 12 aus dem Kollektorgeleitet zu werden. Im Normalbetrieb erfolgt die Ableitung des Sumpfproduktes nur über die tiefer liegenden Sumpfausgänge 12, während über die höher liegenden eine Entgasung und Druckausgleich für den Kollektor erfolgt. Bei Verstopfung der tiefer liegenden Sumpfausgänge 12 fungieren die höher liegenden als Notabfluss und verhindern einen übertritt vom Sumpfprodukt zum Destillat.

Zwischen den Auflagewinkeln 10 ist eine Wärmeisolierung 8 einzubringen, welche rückwärtig durch die Bodenplatte 9 geschützt wird. Auflagewinkel 10, der Kollektor und Bodenplatte 9 bilden einen Kasten, welcher mit den Scharnierhaltern 16 höhenjustierbar zu befestigen ist.

Die Schutzwinkel 17 sind als Stossschutz für die Kollektorkanten wirksam. Bei geeigneter Materialwahl können sie gleichzeitig eine Wärmeisolierung sein und auch Solarstrahlung absorbieren, wodurch sie sich erwärmen und das Temperaturgefälle zum Innenraum des Kollektors mindern.

Fig. 2 dient als Schnitt zur Verdeutlichung der Aufsicht in Fig. 3.

In Fig. 3 ist die Draufsicht auf den Kollektor in der Art dargestellt, dass die Abdeckscheibe 7 etwa zur Hälfte aufgeschnitten ist.

Dargestellt ist, dass die Sumpfausgänge 12 und die Seitenbuchsen 22 horizontal durch beide Seitenspacer 21 geführt sind. Hierdurch wird ein dichtes Aneinanderreihen von Kollektoren möglich. Die Sumpfausgänge 12 sind auch direkt in die Seitenspacer 21 möglich, sofern diese als Vierkantrohr ausgeführt werden. Die Situation ist in einer gebrochenen Kreislinie gefasst und in Fig. 4 dargestellt. Die Seitenspacer 21 dienen dann zur Ableitung des Sumpfproduktes.

Der Destillationsvorgang im Destillierkollektor gestaltet sich wie folgt:

Die zu destillierende Flüssigkeit wird mit einer Eingangsrinne 2 und darin eingesetzten Dochten 4 im Destillierkollektor auf einer Absorberfläche 5 verteilt und sickert oder rieselt bis in eine Sumpfrinne 1 1.

Die Absorberfläche 5 kann zur Minderung der Sicker- oder Rieselgeschwindigkeit profiliert und/oder mit einem Vlies kaschiert sein.

Das Vlies kann aus Gewebe, Viskose oder ähnlichem Material sein. Es ist vorzugsweise schwarz gefärbt und dient auch als Absorber für solare Strahlung. Zur Minderung der Sicker- und Rieselgeschwindigkeit und zur besseren Verteilung der Flüssigkeit können im Vlies Rillen eineearbeitet sein, in denen sich die Flüssigkeit staut und sich besser in der Breite verteilt.

Das Vlies endet in einer Sumpfrinne 11 für nicht verdampfte Flüssigkeit. Diese rinnt durch einen Sumpfausgang 12 aus dem Kollektor.

Durch solare Strahlung erwärmt sich die Flüssigkeit auf der Absorberfläche 5 und verdampft teilweise. Der Dampf kondensiert unter Abdeckscheibe 7 und rinnt unter dieser herab in eine Destillatrinne 14, in welcher sich das Kondensat sammelt und über einen Destillatausgang 15 aus dem Kollektor geführt wird.

Die Wärmeverluste durch die Bodenscheibe 6 können wahlweise mit herkömmlichen Isolierbaustoffen, vorzugsweise Glas- oder Steinwolle gedämmt werden, oder mit einer zusätzlichen, distanzierten Bodenscheibe, in der Art einer Isolierverglasung.

Bezugszeichenliste:

1. Eingangsbuchse

2. Eingangsrinne

3. Steg

4. Dochte

5. Absorberfläche

6. Bodenscheibe

7. Abdeckscheibe

8. Wärmeisolierung

9. Bodenplatte

10. Auflagerahmen

11. Sumpfrinne

12. Sumpfausgang

13. Fangwinkel

14. Destillatrinne

15. Destillatausgang

16. Scharnierhalter

17. Schutzwinkel

18. Fußspacer

19. Kopfspacer

20. Tropfhase

21. Seitenspacer