Sonnenwind

Kurzdarstellung Projekt Sonnenwind

Revolutionärer thermischer Solarkollektor mit patentierter Steuerung
Exposé zum Projekt „Sonnenwind“
Stand:    07.02.2013

Entwickelt von Fredi Lüdecke in Zusammenarbeit mit Gerhard Jakob und der MUNDUS GmbH,  vertreten durch Anton Stucki. Alle Rechte werden auch von diesen drei Parteien gehalten.

Kontakt:    MUNDUS GmbH
        Mahlsdorfer Str. 12
        14827 Wiesenburg / Mark OT Reetz
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Was ist die Idee?
Angesichts sich immer schneller erschöpfender Ressourcen aus fossilen Brennstoffen wie Öl und Gas befindet sich die Erzeugung von Wärme und Strom durch regenerative Energieformen wie Wind und Sonne seit Jahren weltweit in einer extrem dynamischen Entwicklung. Es handelt sich um ein Thema von globaler, ja geradezu existentieller Bedeutung für die Zukunft der Menschheit, welches auch politisch bereits grundlegend erkannt und in Teilen umgesetzt und befördert wird, z.B. in Deutschland durch das EEG von 2000 bis 2012.
Teil dieser Entwicklung ist schon lange auch die Solarthermie. Unter Solarthermie versteht man die Umwandlung der Sonnenenergie in nutzbare thermische Energie, z.B. für die Warmwassererzeugung für Heizungen und Brauchwasser.
Die gesamte auf die Erdoberfläche auftreffende Energiemenge der Sonne ist mehr als zehntausendmal größer als der Energiebedarf der gesamten Menschheit. Das Potenzial der Sonnenenergie ist größer als das aller anderen erneuerbaren Energien zusammen.
Die meisten von uns kennen herkömmliche Solarkollektoren, die in der Lage sind, die Wärme der Sonnenstrahlung zur Erwärmung von Wasser oder eines anderen Trägermediums zu nutzen.
Das Grundprinzip ALLER bisher entwickelten Solarkollektoren weist allerdings ein wesentliches Problem auf:
Die effektive Nutzung der hohen Temperaturunterschiede in den wechselnden Jahreszeiten
Dieses grundlegende Problem wurde nun mit der Erfindung unserer patentierten Steuerung eines thermischen Solarkollektors gelöst.

Wie funktioniert das neue Prinzip?
Bei der Solarthermie ist es wichtig zu wissen, dass die Lichteinstrahlung der Sonne (Globalstrahlung) im Winter nur etwa 1/5 geringer ist als im Sommer bei klarem Himmel.
Deshalb könnte auch die Solarthermie im Winter grundsätzlich effektiv genutzt werden.
Die Problematik der bisherigen Solarkollektoren im Winter ist jedoch, dass sie für den Sommerbetrieb so ausgelegt sein müssen, dass sie relativ viel Wärme wieder abstrahlen, um nicht zu überhitzen. Diese hohe Wärmeabstrahlung wirkt sich im Winter negativ aus. Sie hat zur Folge, dass die Energie der Lichteinstrahlung nur zu einem geringen Teil in nutzbare Wärme umgesetzt werden kann.

Bisherige Solarkollektoren sind in ihrer Absorption (lat. Absorptio: „Aufsaugen“) der  einstrahlenden Lichtenergie der Sonne nicht steuerbar. Ein Absorber ist das zentrale Bestandteil von Solarkollektoren zur Aufnahme der Lichtenergie und der Übertragung in das Trägermedium (i.d.R. Wasser).
In herkömmlichen Kollektoren wird diese Funktion häufig von Kupferröhren oder anderen wärmeleitenden Metallen übernommen.
Wenn viel Sonne scheint, z.B. im Hochsommer und zugleich wenig Energie aus dem jeweiligen Energieträger (z.B. warmes Wasser) entnommen wird, haben bisherige Solarkollektoren keine Möglichkeit, die Lichtaufnahme (Wärmeaufnahme) flexibel zu steuern, sodass eine Überhitzung des Trägermediums und des Kollektors selbst verhindert werden könnte. Daher muss bisher jeder Kollektor in seiner Konstruktion an einer potentiellen Maximaltemperatur ausgelegt sein, die in der Realität in unseren Breitengraden nur ca. 3 Wochen pro Jahr tatsächlich vorhanden ist. Dies liegt auch an der Verwendung statischer und nicht regelbarer Absorber.
Die bisherige technologische Antwort auf dieses Problem besteht neben der Verwendung von Pufferspeichern darin, dass der Kollektor selbst eine beträchtliche Menge des absorbierten Sonnenlichts ungenutzt wieder emittiert. Zudem besitzt der Kollektor technisch bedingt nur eine geringe Wärmedämmung. Im Sommer schützt dies den Kollektor vor Überhitzung, doch in den kälteren Jahreszeiten führt eben genau diese Konstruktion zu einem Wärmeverlust und einer nur geringen Effizienz der gesamten Wärmeerzeugung.
Das Grundprinzip des neuen Lüdecke-Kollektors funktioniert hingegen in allen Jahreszeiten effizient, da die Wärmeaufnahme des Trägermediums flexibel gesteuert werden kann. Diese patentierte Steuerung erfolgt ohne Elektronik durch die Integration eines ebenfalls patentierten Absorbers in das Trägermedium selbst. Entsprechend des Lichteinfalls sorgt der Absorber nun entweder für eine höhere oder niedrigere Lichtaufnahme und damit Wärmeerzeugung im Kollektor. Die ebenfalls patentierte Steuerung des Absorbers erfolgt selbsttätig durch die mechanische Nutzung klassisch-physikalischer Gesetzmäßigkeiten.
Die verwendeten Materialien sind ausgesprochen preisgünstig, die Herstellungs- und Anschaffungskosten sind im Vergleich deutlich niedriger als die bisherige Technologie.


Was wurde patentiert?

Am 26.11.2012 wurde das Patent vom Deutschen Patent- und Markenamt München (DPMA)  für eine Vorrichtung zur Steuerung der Absorption in einem Sonnenkollektor zur Wärmegewinnung unter der Nummer DE 10 2012 006 520 erteilt.

Zentraler Kern der Erfindung ist die Kombination von transparenten Kunststoffhohlkammerplatten mit einem integrierten Absorber, der die Globalstrahlung der Sonne in bisher nie dagewesener Effektivität in Wärme umwandelt.

Das wirklich revolutionäre dieser Erfindung liegt in der Steuerbarkeit des Absorbers. Damit kann die Wärmeumwandlung gezielt abgeschaltet und stufenlos wieder hochgefahren werden in Korrelation zum aktuellen Wärmebedarf. In herkömmlichen Kollektoren ist der Absorber statisch und auf Grund dieser Konstruktion ist eine Steuerung grundsätzlich nicht möglich.
Das Entscheidende für eine - besonders auch im Winter - funktionierende Solarthermie, ist die Kombination der von uns gefundenen, entwickelten und teilweise patentierten Elemente.

Unser gesamtes thermisches Kollektorsystem basiert auf folgenden 4 Elementen:

1.
Eine Kombination bewährter Kunststoffhohlkammerplatten in spezieller Anordnung.
Obere Abdeckung: Mit hoher Globalstrahlungsdurchlässigkeit >=90% und niedrigem Wärmedurchgangswert um Faktor 2.
Innen liegende Platte: Mit einer hohen Temperaturfestigkeit >=150°C und hoher UV-Beständigkeit. Dieses Aufbauprinzip ist bereits von uns im Gebrauchsmuster aus dem Jahre 2009 mit Nummer DE 20 2008 013 279 beschrieben und geschützt worden.

2.
Speziell geformte und konstruierte Absorberelemente, die die Sonnenstrahlung stufenlos in Wärme umwandeln oder reflektieren.  Dies geschieht mittels einer sich selbst regulierenden Steuerung durch die Absorberflüssigkeit.

Eine weitere Besonderheit ist eine spezielle Beschichtung der Absorberelemente, die je nach Lage im Kollektor absorbierend oder reflektierend wirkt. Ihnen liegt die Aufgabe zu Grunde, den Wirkungsgrad des Kollektors zu verbessern und auch einen wirksamen Überhitzungsschutz zu schaffen.

3.
Die richtige Dimensionierung und Einstellung des Kollektors auf den gewählten Standort für die maßgeschneiderte Energieumwandlung. In Verbindung mit der selbstregulierenden Steuerung haben wir einen nahezu universell einsetzbaren Kollektor für unterschiedlichste Anforderungsprofile und Klimazonen.

4.
Die Möglichkeit, den Zirkulationskreislauf des Solarkollektors offen und damit drucklos betreiben zu können. Die Befüllung und Entleerung ist somit einfacher. Ergänzt wird das Gesamtsystem mit einem Vorratsbehälter, der so dimensioniert ist, dass bei Abschaltung und Entleerung des Kreislaufs der Tauscherflüssigkeit, diese vollständig und verlustfrei ablaufen kann.

 

Diese Gesamtkonzeption des Sonnenkollektors wurde durch das Patent- und Markenamt München patentiert.


Wofür kann man diese Technik anwenden?

Es ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten und neue Produkte wie z.B.
1    Steuerung der Absorption in Solarkollektoren mit extrem hohem Wirkungsgrad und ohne Überhitzungsgefahr
2    Steuerung von Licht und Wärme in Schattierungs – und Kühlungstechnologien.
3    Für Tag und Nacht sich selbst steuernde Werbeflächen
4    Zur thermischen Gestaltung von Architektur und Fassadenelementen
5    Als nicht elektrotechnisches Sensorsteuerteil oder als Impulsgeber auch außerhalb der Solarthermie


 
Wie ist diese Entwicklung entstanden?

Die Entwicklung dieses Solarkollektors begann mit einer Idee von Fredi Lüdecke am sonnigen
Morgen des 29. Juli 2008 in Wiesenburg-Reetz. 
Der erste Patentantrag 2008 wurde als „Anlage zur Wärmegewinnung“ eingereicht.
Im Jahr 2009 gab es dann eine Gebrauchsmusterabzweigung
(DE 10 2009 009 258.7) vom Patentantrag 2008 (DE 20 2008 013 279), da Teilkomponenten bereits bekannt waren und die neuartige Kombination zu einer Patenterteilung nicht ausreichte.

2011 erfolgte ein erneuter Patentantrag  mit einer Weiterentwicklung des Gesamtkonzepts, insbesondere einer sinnvollen Anordnung und Kombination der Kunststoffplatten zu einem Sandwichkollektor mit der Lösung der Außenabdeckungsproblematik (Balance zwischen optimalem Lichteinfall und Wärmedämmung).  In diesem Bereich wird weltweit besonders in Deutschland sehr viel geforscht und entwickelt.

Da Teile unseres Konzeptes bereits bekannt waren, konnte wiederum ein Patent nicht erteilt werden.
Weitere Kenntnisse wurden gewonnen durch den Bau einfacher Testanlagen.
Die Gesamtüberlegungen und Erkenntnisse aus diesem, über Jahre währenden Entwicklungsprozess konnten schließlich in Verbindung mit einer weiteren zündenden Idee von Fredi Lüdecke Ende Januar 2012 in eine neue Patentanmeldung fließen, die im März 2012 eingereicht wurde.

Die entscheidenden und überragenden Merkmale führten schließlich am 26.11.2012 zur erfolgreichen Patentierung des oben beschrieben Solarkollektors mit dem dazu gehörigen Gesamtkonzept.

Die Weiterentwicklung war die Verbesserung des Wärmedurchgangswertes bei gleichzeitiger Erhöhung der Lichtdurchlässigkeit der oberen Abdeckung.
Unsere Einreichung konnte bisher den Stand der Technik zu diesem Zeitpunkt nicht überragen.
Unsere neuerliche Patentanmeldung im März 2012 hatte jedoch die entscheidenden, überragenden Merkmale. 


Technische Kenndaten

Die hohe Effektivität unseres Solarkollektors wird unter anderem durch sehr gute Dämmung und durch eine besondere Kombination der Kunststoffhohlkammerplatten erzielt.
Der Wärmedurchgangswert von unter Faktor 2 kann hiermit erstmals erreicht werden, was bei herkömmlichen Kollektoren zur Überhitzung führen würde. Herkömmliche Solarthermiekollektoren können die Wärmeumwandlung nicht steuern und hohe Wärmeverluste sind technisch bedingt nicht vermeidbar. In den Wintermonaten bzw. im Zeitraum der herkömmlichen Heizperiode können diese Kollektoren aus diesem Grund nur bedingt die Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung leisten.

In unserem Sonnenkollektor besteht erstmalig die Möglichkeit der Steuerung des Absorbers.
Damit kann die Wärmeumwandlung im Sommer und Winter so angepasst werden, dass ein Dauerbetrieb mit Kunststoffhohlkammerplatten funktioniert. Im maximalen Absorptionszustand können bis zu 90 % der Globalstrahlung im Kollektor in nutzbare Wärmeenergie umgewandelt werden. Dadurch erwarten wir auch eine ganzjährige Wirksamkeit in der Warmwasserbereitung und der Heizungsunterstützung.

Darüber hinaus erreichen wir mit den verwendeten Materialien bei der Herstellung eine gute Energiebilanz.
Wirtschaftliche Kenndaten

Wir erwarten bei einer Globaleinstrahlung von ca. 1100W/m² bei klarem Himmel im Sommer bis 900 W/m² im Winter. Die Lichtabsorption von 60-90% je nach Jahreszeit bewirkt daher einen hohen thermischen Ertrag. Die Dichte der Bewölkung verhindert maßgeblich die Globaleinstrahlung auf der Erdoberfläche.

Wir gehen davon aus, dass auch noch bei geringer Bewölkung ein nutzbarer thermischer Überschuss erzielt werden kann. Im Sommer kann der Kollektor so eingestellt werden, dass eine geringe, jedoch kontinuierliche Absorption erfolgt, oder in Gebieten mit langer und intensiver Sonneneinstrahlung kann die weitere Wärmeproduktion nach Erzeugung der gewünschten Wärmemenge abgeschaltet werden.

Ebenso ist eine, auf das jeweilige Anforderungsprofil der Temperatur der Tauscherflüssigkeit abgestimmte Betriebsweise des Lüdecke-Kollektors möglich. Das heißt, der Kollektor kann in sich selbst schon mit hohen oder niedrigen Temperaturen gefahren werden, unabhängig von der Außentemperatur.

Beispielrechnung (Sommer, klarer Himmel):
1100 Watt globale Lichteinstrahlung x 90% Verwertung im Kollektor
= 990 W an der Absorber-Oberfläche
- 25% Systemverlust
= 740 W nutzbare Wärmeleistung pro m²

Beispielrechnung (Winter, klarer Himmel):
900 Watt globale Lichteinstrahlung x 60% Verwertung im Kollektor (bei niedriger Außentemperatur)
= 540 W an der Absorber-Oberfläche
- 25% Systemverlust
= 400 W nutzbare Wärmeleistung pro m²


Was wollen wir?

Diese Erfindung verfügt über ein hohes wirtschaftliches Potential und kann einen wichtigen Beitrag für die Energieversorgung der Zukunft in vielen Ländern und unter unterschiedlichsten klimatischen Bedingungen leisten.
Bis 31. März 2013 haben wir nun die Möglichkeit, auf Grund der sehr schnellen Patenterteilung durch das DPMA auf das Einreichungsdatum 31.03.2012 der deutschen Patentanmeldung  zurück zu gehen und dadurch für die internationalen Patentanmeldungen die Schutzansprüche zu sichern.

Nach dem 31.03.2013 kann uns das deutsche Patent auch international vorgehalten werden.
Hieraus ergibt sich eine hohe zeitliche Dringlichkeit!

Je nach zur Verfügung stehenden Geldmitteln sind folgende Schritte geplant:

- Europäische Patentanmeldung bis 31.03.2013.
- Außereuropäische Patentanmeldung in relevanten Märkten und Ländern ebenfalls bis zum 31.03.2013.
- Bau eines Prototypen basierend auf den neuesten Erkenntnissen
- Umfassende Dokumentation der bisherigen Entwicklung und genaue messtechnische Auswertung des Prototypen
- Konzeption und Bau der ersten 10 Anlagen für den Praxistest über einen längeren Zeitraum. 


Was brauchen wir?

Zur Realisierung suchen wir ab sofort Finanzpartner und Investoren, die bereit sind, für ein zukunftsfähiges Produkt mit immensem ökologischem sowie wirtschaftlichem Potential Kapital zur Verfügung zu stellen. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten und Beteiligungsmodelle:

- Partner, die direkt in unser Team einsteigen mit Risikokapital und sich dadurch am Gesamten beteiligen
- Partner, die eine Lizenz und/oder Alleinverwertungsrechte für bestimmte Anwendungen oder Regionen erwerben 
- Industrielle Produktionspartner für die großtechnische Umsetzung und Anwendung der beschriebenen Verfahren
- Partner und Unterstützer (z. Bsp. Ingenieure) für die weitere Entwicklungsarbeit


Unser Wunsch an SIE!

Wir laden Sie herzlich ein, an der konkreten weiteren Entwicklung und Realisierung dieser Erfindung teilzunehmen. Wenn sie noch mehr über den Lüdecke-Kollektor erfahren oder Gedanken, Ideen oder Kapital beisteuern möchten, zögern Sie bitte nicht, uns anzurufen.
Wir freuen uns darauf, Sie kennenzulernen!
 

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