DE10023833C1

DE10023833C1 - Solarflachkollektor zur Erhitzung von gasförmigen Fluiden

Info

Publication number: DE10023833C1
Application number: DE10023833A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schwertmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-15
Filing date: 2000-05-15
Publication date: 2002-01-03
Anticipated expiration: 2020-05-16

Abstract

Die Erfindung stellt einen Solarflachkollektor zur Erhitzung von gasförmigen Fluiden zur Verfügung. Gegenüber dem Stand der Technik wird eine Lösung aufgezeigt, die mit handelsüblichen Solarglasscheiben als transparenter Abdeckung auskommt und bereits mit einer Abdeckscheibe (2) bei Einstrahlleistungen > 900 W/m·2· Lufttemperaturerhöhungen oberhalb von 90 DEG C bei guten Wirkungsgraden ermöglicht. Vorteilhaft ist die sogenannte Stillstandsfestigkeit der erfindungsgemäßen Lösung. DOLLAR A Der neue Solarluftkollektor ermöglicht dies dadruch, daß der zu erhitzende Luftstrom so aufgeteilt wird, daß ein Teilluftstrom (12) am Kanalanfang in den Kanal (die Kanäle) eintritt und die übrige Teilmenge des Gesamtluftstroms aus dem Raum zwischen Absorber (1) und transparenter Abdeckungsscheibe (2) über eine Vielzahl von über die gesamte Absorberfläche verteilten kleinen Lochungen (11) in das Luftkanalsystem (3) einströmt und daß der insgesamt über die Absorberlochungen (11) einströmende Teilluftstrom (7) wenigstens ein Drittel des Gesamtluftstroms (13) beträgt. DOLLAR A Die Leistungsfähigkeit des neuen Solarluftkollektors eröffnet der regenerativen Energiegewinnung neue Möglichkeiten, da er einen Baustein eines Systems zur verlustarmen Langzeitspeicherung von solar gewonnener Wärmeenergie darstellt (thermochemische Speicherung mittels Schüttungen aus festen Adsorbentien wie Silicagelen und Zeolithen).

Description

Die Erfindung betrifft einen Solarflachkollektor zur Erhitzung von gasförmigen Fluiden.

Mittels Solarluftkollektoren erhitzte Luft kann für die verschiedensten Zwecke verwendet werden, wobei die Nutzungsmöglichkeiten von der erzielbaren Luftaustrittstemperatur abhän gen. Solarluftkollektoren, die Luftaustrittstemperaturen oberhalb von 90°C erreichen können, können beispielsweise als Lufterhitzer für trocknungstechnische Anlagen oder für Klimaanla gen, die nach dem Adsorptionsprinzip arbeiten (Desiccant Cooling = DEC-Anlagen = sog. offenen Adsorptionskälteanlagen) eingesetzt werden. In der Zukunft können Hochtempera tursolarluftkollektoren ein wichtiger Baustein zur Langzeitspeicherung von solar gewonnener Wärmeenergie werden, können thermochemische Wärmeenergiespeicher, die mit Feststoff adsorbentien (Kieselgele, Zeolithe) arbeiten, zur Speicherung der solar gewonnenen Luft enthalpie eingesetzt werden. Dabei erfordert der Einsatz von Zeolithen als Speichermedium sogar die Erzielung von Lufttemperaturen oberhalb von 120°C /1/.

Aus der einschlägigen Fachliteratur sind Lösungen bekannt, bei denen die einströmende Luft zunächst eine transparente Struktur aus einer Vielzahl von Kapillaren durchströmt bevor der eigentliche Absorber überströmt wird. Dabei sind die Kapillaren senkrecht zur Absorberfläche angeordnet. Digel /2/ hat einen derartigen Kollektor untersucht. Dabei strömt die angesaugte Umgebungsluft zuerst in den aus einer transparenten Abdeckscheibe und der plattenförmigen, transparenten Kapillarstruktur gebildeten Zwischenraum. Anschließend durchströmt die Luft die Kapillarstruktur und überströmt danach die hinter der Kapillarstruktur angeordnete (aus Einstrahlrichtung gesehen) Absorberplatte. Digel konnte mit einem Kleinkollektor, der mit einer aus dem Kunststoff Polycarbonat gefertigten, transparenten, durchströmten Kapillar struktur ausgerüstet war (Dicke 80 mm, Kapillardurchmesser 1 mm), Lufttemperaturerhöhun gen von etwa 100°C bei einem thermischen Wirkungsgrad von knapp 60% erzielen.

In US 43 14 549 wird ein Solarluftkollektor beschrieben, der eine gewisse Ähnlichkeit mit dem von Digel untersuchten Kollektor hat. Der Kollektor ist senkrecht angeordnet. Die drei Hauptelemente: transparente Abdeckung, durchströmte Wabenstruktur und überströmter Ab sorber (Reihenfolge in Einstrahlrichtung) sind ähnlich wie bei Digel parallel mit gewissen Abständen angeordnet. In beide so gebildete Zwischenräume strömt von unten Umgebungs luft ein. Die Warmluft tritt am oberen Kollektorende aus dem Raum zwischen Wabenstruktur und Primärabsorber über die Kollektorrückseite aus. Im Unterschied zu Digel ist die aus kur zen Rohrstücken aufgebaute Wabenstruktur jedoch opak und soll den direkten Solarstrah lungsanteil weitgehend zum Absorber durchlassen. Daher liegt das Längen-Durchmesserver hältnis der Rohrstücke nur bei etwa 1 (Digel: 80).

Insgesamt erscheint die Lösung nach US 43 14 549 zur Erzielung höherer Luftaustrittstempe raturen wenig geeignet. Denn dazu müßten Wabenstruktur und Absorber selektiv ausgerüstet sein, was wegen der komplizierten Geometrien (Absorber hat vorzugsweise eine spezielle Oberflächenform) mit zu hohem Aufwand verbunden wäre. Vor allem aber muß aus Kenntnis der Digelschen Untersuchungen bezweifelt werden, daß die Wabenstruktur gleichmäßig von außen nach innen durchströmt wird (bei einer geneigten Anordnung erscheint dies ohnehin ausgeschlossen). Angaben zu erzielbaren Luftaustrittstemperaturen oder thermischen Wir kungsgraden finden sich in US 43 14 549 nicht.

In der DE 198 00 560 C1 ist ein Solarluftkollektor beschrieben, der in einer bevorzugten Aus führung bei Einstrahlleistungen von 900 W/m² Lufttemperaturerhöhungen von etwa Δϑ_L = 80°C bei einem thermischen Wirkungsgrad von etwa 68% erzielen kann. Mit diesem Kollektor kann also Umgebungsluft von 20°C auf etwa 100°C erhitzt werden. Es sind Luftaus trittstemperaturen von deutlich über 140°C erzielbar, wenn die Ansprüche an den thermischen Wirkungsgrad zurückgeschraubt werden.

Nachteil der von DIGEL beschriebenen Lösung ist, daß die Kunststoffkapillarstruktur aus Polycarbonat gefertigt war, das eine Dauergebrauchstemperatur von etwa 130°C aufweist. Daher war der untersuchte Kollektor nicht stillstandsfest. Eine transparente, durchströmbare Kapillarstruktur, die für das von DIGEL beschriebene Kollektorkonzept unverzichtbar ist, wäre möglicherweise aus Glas herstellbar, ist aber derzeit am Markt nicht erhältlich. Wegen der speziellen Anforderungen an die Geometrie eines solchen Elementes (extrem dünne Wandstärke der durchströmbaren Kapillaren, niedriger Kapillardurchmesser, selbsttragend) wäre jedoch mit Herstellkosten zu rechnen, die für den Einsatz in Solarluftkollektoren zu hoch liegen.

Dagegen kommt die in der DE 198 00 560 C1 beschriebene Lösung mit handelsüblichen So larglasscheiben aus und ist stillstandsfest. Allerdings erfordert die genannte bevorzugte Lö sung drei parallel angeordnete Solarglasscheiben. Dies bedingt im Vergleich zu den handels üblichen Niedertemperaturkollektoren mit einer Abdeckscheibe einen erhöhten Materialauf wand und eine aufwendigere Konstruktion. Dies führt zu deutlich höheren Herstellkosten. Daneben legt das Gewicht solcher Kollektoren erheblich höher.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hochtemperatursolarluftkollektor bereitzustellen, der bei Einstrahlleistungen q_St ≧ 900 W/m² eine Lufftemperaturerhöhung Δϑ_L < 94°C bei thermischen Wirkungsgraden oberhalb von 60% ermöglicht. Ein solcher Kollektor soll also Umgebungs luft von 20°C auf ϑ_L,A < 110°C erhitzen können. Dabei soll der Kollektor in der Grundversion mit nur einer transparenten Abdeckscheibe auskommen.

Insbesondere ist die Aufgabe der Erfindung eine solche Lösung zu schaffen, die mit handels üblichen Solarglasscheiben als transparentem Konstruktionselement auskommen kann. Im Übrigen soll der Kollektor unter Verwendung handelsüblicher Materialien gebaut werden können.

Ein solcher Kollektor hätte mehr oder weniger zwangsläufig die Eigenschaft, auch bei niedri gen Einstrahlleistungen noch Lufttemperaturerhöhungen von Δϑ_L = 20-30°C zu ermögli chen. Da der Kollektor in der Grundversion mit nur einer Solarglasscheibe ausgerüstet sein soll, d. h. bezüglich der transparenten Abdeckung kein höherer Aufwand als bei marktgängi gen Niedertemperaturkollektoren erforderlich ist, ergibt sich als Nebenaspekt der Aufgaben stellung die Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Niedertemperatursolarluftkollektoren.

Diese Aufgabe wird durch einen Solarluftkollektor nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen genannt.

Zunächst weist der erfindungsgemäße Kollektor wie am Markt erhältliche Kollektoren ein turbulent durchströmbares Kanalsystem (3) auf. Alle Kanalwände werden aus metallischem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit (z. B. Kupfer, Aluminium) gebildet. Dabei kann das Ka nalsystem aus nur einem mäanderförmig angeordneten Strömungskanal (Kleinkollektor) oder mehreren parallel angeordneten, gleichsinnig durchströmten Kanälen (Großkollektormodul) bestehen. Da an der Luftausströmseite eine vollturbulente Kanalströmung gefordert ist (Re_A < 5000) ergeben sich sehr lange Strömungskanäle, wenn Lufttemperaturerhöhungen Δϑ_L < 90°C erzielt werden sollen.

Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lösung ist die Aufteilung des eintretenden Luftstroms:
ein Teilstrom (12) tritt am Kanalanfang bzw. über die Kanalanfänge ein. Der andere Teilluft strom (7) tritt in den Raum zwischen Absorber (1) und Glasscheibe (2) ein und strömt durch eine Vielzahl, über die gesamte Absorberfläche verteilter, kleiner Lochungen (11) in das Ka nalsystem ein. Dadurch wird die freie Konvektion in dem Raum zwischen Absorber und transparenter Abdeckscheibe ganz wesentlich eingeschränkt, d. h. der konvektive Wärme transport von der heißen Absorberfläche zu kälteren Abdeckscheibe wird gedrosselt. Die Absaugung eines Teilluftstroms aus dem Raum zwischen Absorber (1) und transparenter Abdeckung (2) ist für die Begrenzung der einstrahlseitigen Wärmeverluste von großer Be deutung, da bei Luftaustrittstemperaturen von < 110°C, d. h. Absorbertemperaturen an der Luftaustrittsseite von 120°C und mehr, nur so ein großer Temperaturunterschied zwischen Absorber und Abdeckscheibe, d. h. eine niedrige Temperatur der Abdeckscheibe (2) aufrecht erhalten werden kann.

Wichtig für die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Lösung bleibt jedoch die turbu lente bis vollturbulente Durchströmung des Kanalsystems (3), d. h. die gezielte Begrenzung der Temperaturdifferenz ϑ_Ab - ϑ_L zwischen Absorber (1) und mittlerer Lufttemperatur.

Die Aufteilung des eintretenden Luftstroms hat eine Reihe von Konsequenzen. Vor allem nimmt der Luftmassenstrom im Kanal beginnend mit dem am Kanalanfang eintretenden Luftmassenstrom _L,E (12) in Strömungsrichtung kontinuierlich zu. Genauer gesagt ist der Luftmassenstrom monoton wachsend (in strengem Sinne), da die Absorberlochungen (11) über die gesamte Absorberfläche verteilt sind.

Die erfindungsgemäße Lösung fordert an der Luftaustrittsseite eine Kanalreynoldszahl Re_A < 5000 (vollturbulente Strömung), läßt aber ansonsten auch niedrigere Reynoldszahlen zu, da allgemein nur eine turbulente Durchströmung (Re < 2300) gefordert wird. Anspruch 1 läßt daher implizit eine in Strömungsrichtung wachsende Reynoldszahl zu.

Sollen mit der Lösung nach Anspruch 1 hohe Luftaustrittstemperaturen (ϑ_L,A < 110°C bei _St ≧ 900 W/m²) erreicht werden, so ist ein selektiv beschichteter Absorber (1) erforderlich. Denn bei Verwendung von nur einer transparenten Abdeckscheibe (2) und hohen Absorbertempe raturen (ϑ_Ab(x) < ϑ_L (x)) sind die Wärmeverluste durch Wärmeabstrahlung im infraroten Wellenlängenbereich (hier für λ < 2,5 µm) ansonsten nicht beherrschbar. Denn bei einem Ein scheibenkollektor ist der durch Wärmestrahlung von der Absorberfläche (1) an die transpa rente Abdeckscheibe (2) übertragene Wärmeenergiestrom de facto verloren, d. h. er steht nicht zur Luftenthalpieerhöhung zur Verfügung. Diese Wärmeübertragung durch Strahlung wird durch die Temperaturen sowie Emissions- bzw. Absorbtionsverhältnisse der beiden Strahler (1) und (2) gesteuert. Die übertragene Wärmeleistung läßt sich praktisch nur über ein niedri ges Emissionsverhältnis ε der Absorberfläche entscheidend drosseln (ε < 0,1 für λ < 2,5 µm).

Mit der in Anspruch 1 beschriebenen Lösung können jedoch auch Luftkollektoren gebaut werden, deren Luftaustittstemperatur deutlich unter 100°C liegt. Dies ist lediglich eine Ausle gungsfrage (_L*, Kanallänge L, Re_A, Re_E, usw.). Solche Kollektoren können in den bekannten Einsatzgebieten der marktgängigen Luftkollektoren Verwendung finden.

Je nach Einsatzfall, d. h. den bei bestimmten solaren Einstrahlleistungen geforderten Luft austrittstemperaturen, kann dann ganz oder teilweise auf eine Selektivbeschichtung der Ab sorberfläche (1) verzichtet werden. Denn niedrigere Luftaustrittstemperaturen ϑ_L,Asind mit niedrigeren Absorbertemperaturen ϑ_Ab erzielbar. Mit sinkender Absorbertemperatur ϑ_Ab nimmt jedoch die durch Wärmeabstrahlung an die Abdeckscheibe (2) transportierte Wärme leistung ab (_V,St ~ T_Ab ⁴).

Anspruch 2 spezifiziert die Lösungsvariante, die zwar besonders leistungsfähig ist, jedoch selbst für rechteckige Strömungquerschnitte nur mit erheblichen konstruktiven Aufwand rea lisierbar ist. Denn die Forderung, daß die Reynoldszahl über den gesamten Strömungspfad vollturbulent ist, führt wegen der Zunahme des Luftmassenstroms in Strömungsrichtung zu einer in Strömungsrichtung wachsenden Kanalquerschnittsfläche.

Anspruch 3 beschreibt eine Lösungsvariante, die mit einem konstanten Kanalquerschnitt aus kommt, d. h. für eine Vielzahl von Kanalquerschnittsformen konstruktiv ohne Probleme ver wirklicht werden kann. Allerdings geht diese Lösung hinsichtlich der Forderung nach einer möglichst niedrigen Temperaturdifferenz zwischen Absorber (1) und mittlerer Lufttemperatur im Kanal ϑ_Ab - ϑ_L= f(x) einen Kompromiß ein. Da die Kanalreynoldszahl an der Luftein trittsseite Re_E = Re (x = 0) < 2300 deutlich niedriger als an der Luftaustrittsseite ist (Re_A = Re (x = L) < 5000), ist die Temperaturdifferenz zwischen Absorber und strömender Luft am Ka nalanfang höher als am Kanalende. Dieser Kompromiß führt jedoch zu keiner wesentlichen Einbuße bei der Leistungsfähigkeit des Kollektors. Denn maßgeblich für die einstrahlseitigen Wärmeverluste ist die Temperaturdifferenz zwischen Absorber und äußerer Abdeckscheibe bzw. Absorber und Umgebungstemperatur. Die Absorbertemperatur nimmt aber in Strö mungsrichtung, d. h. mit wachsender Lufttemperatur zu. Daher liegt die Absorbertemperatur an der Lufteintrittsseite auch bei einem Kollektor nach Anspruch 3 (Re_E < Re_A) erheblich niedriger als an der Luftaustrittsseite. Daher kann an der Lufteintrittsseite eine höhere Tem peraturdifferenz zwischen Absorber und Luft in Kauf genommen werden, um einen einfachen konstruktiven Aufbau des Kanalsystems zu ermöglichen.

Bei der Lösung nach Anspruch 3 kann das Verhältnis zwischen dem am Kanalanfang ein strömenden Luftmassenstrom _L,E (12) und dem Gesamtluftmassenstrom _L,A (13) nur in nerhalb bestimmter Grenzen gewählt werden. Dies soll zum besseren Verständnis für eine beispielhafte Aufgabenstellung anhand eines 1-Kanal-Modellkollektors mit konstantem Strö mungsquerschnitt erläutert werden.

Auslegungsbeispiel

spez. Einstrahlleistung	_St = 900 W/m²
Temperaturerhöhung der Luft	Δϑ_L = 90°C
Lufteintrittstemperatur	ϑ_L,E = 20°C
Therm. Kollektorwirkungsgrad	η_K = 60% (angenommen)

Gewählt: Re_A

= 8350
quadratischer Kanalquerschnitt, d. h. F = d_H

. d_H

= B₀ ²

Damit:
_L

* = _L,A

/A_K

= 21,49 kg/(m²

.h)

L = 31,2 m (vergl. DE 198 00 560)

Bei konstantem Strömungsquerschnitt ergibt sich für den Fachmann leicht nachvollziehbar

_L,F = (Re_E/Re_A) * (η_L,E/η_L,A) . _L,A (1)

d. h. für das Auslegungsbeispiel
_L,E ^min = 0,222._L,A

Für das genannte Auslegungsbeispiel muß also ein erfindungsgemäßer Solarkollektor so kon struiert sein, daß mindestens 22,2% des Gesamtluftstroms an der Lufteintrittsseite in den Kanal/die Kanäle einströmen. Daneben fordert Anspruch 1, daß wenigstens 33% des Gesamt luftstroms über die Absorberlochungen in das Kanalsystem einströmen.

Damit ist die mögliche Luftaufteilung für das Auslegungsbeispiel eingegrenzt - 22,2 bis 67% des Gesamtluftstroms treten an der Lufteintrittsseite in den Kanal/die Kanäle ein - aber es bleibt ein erheblicher Spielraum bei der Wahl der Luftaufteilung. Dies ist grundsätzlich vor teilhaft, allerdings sind weitergehende Überlegungen zur Wahl der Luftaufteilung erforder lich.

Jetzt soll zunächst darauf hingewiesen werden, daß eine bestimmte Luftauftteilung eine ge eignete Wahl der Querschnittsfläche für den am Kanalanfang eintretenden Teilluftstrom _L,E sowie der Anzahl, Verteilung und gegebenenfalls Größenstaffelung der Absorberlochungen (11) erfordert.

Soll eine bestimmte Luftaufteilung, z. B. _L,E = 0,5 _L,Aerreicht werden, so ist z. B. die Festlegung von Anzahl, Größe (bzw. Größenstaffelung) der erforderlichen Absorberlochun gen (11) keineswegs trivial.

Denn bei der erfindungsgemäßen Lösung nach Anspruch 3 steigt der Luftvolumenstrom und damit die mittlere Luftgeschwindigkeit im Kanal aus zweierlei Gründen: zum einen nimmt der Luftmassenstrom im Kanal stetig zu, zum anderen nimmt die Luftdichte wegen der stetig steigenden Temperatur ab. Die Zunahme der Luftgeschwindigkeit ist daher nichtlinear, d. h. die durch den Strömungsdruckverlust bedingte Abnahme des statischen Drucks längs des Strömungsweges folgt zwar der allgemeinen bekannten Gleichung

p(x) = p(x = 0) - ξ . (x/L) . (ρ_L/2) . w(x)² (2) ξ = f(Re), Re = f(x)

ist aber wegen ϑ = f(x) also hier ρ_L = f(x) und w = f(x) analytisch nicht einfach anzugeben. Für den über eine Einzellochung einströmenden Luftmassenstrom ist aber für eine bestimmte Lochquerschnittsfläche in der Hauptsache der Druckunterschied zwischen der Ein- und Aus trittsseite maßgeblich. Der statische Druck an der Einströmseite der Lochungen - also zwi schen Absorber und transparenter Abdeckscheibe - unterscheidet sich kaum vom Umge bungsdruck bzw. ist in guter Nährung konstant.

Daher ist also für die Auslegungszwecke zunächst nur der Verlauf des statischen Drucks im Kanal p(x) längs des Strömungsweges zu bestimmen. Dies ist für einen Fachmann jedoch mit einer für Auslegungszwecke hinreichenden Genauigkeit ohne weiteres möglich.

Hier können nur einige Hinweise gegeben werden. Da die Temperaturabhängigkeit der Stoff werte (ρ_L, η_L) längs des Strömungsweges nicht vernachlässigbar ist, muß der Temperatur verlauf der Luft längs des Strömungsweges x rechnerisch abgeschätzt werden. Im Rahmen der Arbeiten zur Entwicklung der erfindungsgemäße Lösung hat sich gezeigt, daß eine sehr einfa che Auslegungsrechnung zunächst ausreichend ist. Der Strömungskanal wird in n Teilstücke der Länge Δx zerlegt. Für ein solches Teilstück wird eine stark vereinfachte Energiebilanz aufgestellt. Das Verhältnis _L,E/_L,A sowie der Verlauf des Luftmassenstroms m_L = f(x) wird dabei unter Beachtung der erläuterten impliziten Randbedingungen nach Anspruch 1 vorge geben. Derartige Rechnungen können mit leistungsfähigen Tabellenkalkulationsprogrammen ausgeführt werden.

Damit sind die Zusammenhänge m_L = f(x) und ϑ_L = f(x) bekannt. Nun kann problemlos der Verlauf p(x) bestimmt werden (gleichfalls für Teilstücke Δx) und die Verteilung und/oder Größenstaffelung der Lochungen berechnet werden.

Wenn die Lochungen gleichmäßig über die Absorberfläche verteilt werden, d. h. der Abstand der Lochungen in Richtung des Strömungspfades (x-Richtung) konstant ist, ergibt sich z. B. für den Fall einer linearen Zunahme des Luftmassenstroms in x-Richtung zwangsläufig eine Größenstaffelung der Absorberlochungen. Wird hingegen ein konstanter Lochquerschnitt vorgesehen, so kann die lineare Zunahme nur bei kontinuierlich zunehmendem Lochabstand gewährleistet werden.

An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, daß ein Absorber mit gleichmäßig verteilten Lochungen (Anzahl der Lochungen je Flächeneinheit konstant) von gleicher Größe zur Reali sierung der erfindungsgemäße Lösung im allgemeinen nicht brauchbar ist.

Anspruch 4 beschreibt eine vorteilhafte Ausführung erfindungsgemäßer Kollektoren. Im Unterschied zu der in der DE 198 00 560 C1 aufgezeigten Lösung werden bei der erfin dungsgemäßen Lösung wie bei einigen bekannten marktgängigen Lösungen nur die ein strahlseitigen Kanalflächen direkt durch die absorbierte solare Strahlungsenergie erhitzt, d. h. diese Flächen weisen die höchsten Temperaturen auf. Daher fordert Anspruch 1 zunächst, daß alle Kanalwände aus metallischem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit, also z. B. Aluminium oder Kupfer, gefertigt sein müssen, so daß ein Teil der absorbierten Wärmeenergie mittels Wärmeleitung an die nicht direkt bestrahlten Kanalwandungen fließen kann, um dann konvektiv an die im Kanal strömende Luft übertragen zu werden. Es kommt allgemeiner ge sprochen darauf an, die absorbierte Wärmeenergie möglichst gleichmäßig auf alle Kanalwan dungen zu verteilen.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung liegt die Temperatur der einstrahlseitigen Kanalflächen höher als die der rückseitigen Kanalflächen, d. h. zwischen diesen Flächen findet eine Wärme übertragung mittels Strahlung statt. Es ist vorteilhaft, diesen Strahlungswärmeaustausch durch ein hohes Absorptions- bzw. Emissionsverhältnis zu maximieren. Dies kann sehr einfach über eine Beschichtung aller Kanalinnenflächen mit einem temperaturbeständigen, schwarzen Mattlack erreicht werden (α_St(λ) = ε(λ) = konst. < 0,9).

Anspruch 5 beschreibt eine vorteilhafte Ausführung erfindungsgemäßer Kollektoren. Der in den Raum zwischen Absorber (1) und transparenter Abdeckscheibe (2) einströmende Teilluftstrom _L,V (7) tritt über schlitzförmige Öffnungen (9) ein, deren Länge jeweils in etwa der horizontalen Kantenlänge der transparenten Abdeckscheibe entspricht. Diese schlitzför migen Lufteintrittsöffnungen müssen mit Luftfiltern (6) ausgerüstet sein. Dadurch wird einer seits eine konstante Luftgeschwindigkeit über den Lufteintrittsquerschnitt erzwungen, zum anderen wird der Eintritt von Partikeln in den Kollektor verhindert, die die Absorberlochun gen verstopfen könnten.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäße Lösung ist in Anspruch 6 be schrieben. Anspruch 6 verdeutlicht und präzisiert einen Teilaspekt der erfindungsgemäßen Lösung. Wie bereits erläutert wird durch die Absaugung eines Teilluftstroms aus dem Raum zwischen Absorber (1) und transparenter Abdeckscheibe (2) der konvektive Wärmetransport von dem heißen Absorber (1) zu der Abdeckscheibe (2) gedrosselt. Zielsetzung von Anspruch 6 ist eine möglichst turbulenzarme Durchströmung des Zwischenraums zwischen Absorber (1) und Abdeckscheibe (2).

Zum besseren Verständnis wird wieder das Auslegungsbeispiel herangezogen, und eine So larglasscheibe mit den Maßen 1 m × 2 m zu Grunde gelegt. Dann beträgt der Luftmassen strom für einen Kleinkollektor (A_K = 2 m²) m_L = A_K . _L* = 43,0 kg/h. und über die schlitz förmige Eintrittsöffnung (9) tritt ein Teilluftstrom von maximal _L,V ^max = (1 - 0,222) . _L,A= 33,5 kg/h ein. Wird der Solarkollektor so gebaut, daß die Glaskantenlänge von 1 m horizontal ausgerichtet ist, ergibt sich für die Luftströmung eine maximale anfängliche Reynoldszahl von Re_S = 1035 (für ϑ_L,S = ϑ_u= 20°C). Wird die Glaskante mit der Länge 2 m horizontal an geordnet, so ergibt sich eine deutlich niedrigere Reynoldszahl (Re_S = 518).

Im Übrigen ist die Reynoldszahl für den gegebenen Fall durch die Wahl der Schlitzhöhe s nicht beeinflußbar, sie hängt nur von der Schlitzlänge l_S und dem Luftmassenstrom _L,Vab.

Dies ist für den Fachmann leicht nachvollziehbar wenn beachtet wird, daß der hydraulisch gleichwertige Durchmesser eines schlitzförmigen Strömungsquerschnitts in sehr guter Nähe rung d_H,S ≅ 2.s ist.

Das Beispiel zeigt zunächst, daß die Forderung des Anspruches 6 schon durch die horizontale Anordnung der längeren Kante der Abdeckscheibe erfüllt werden kann. Weiter zeigt das Bei spiel, daß eine laminare Strömung (Re_S < 2300) am Anfang der Überströmung des Absorbers gewissermaßen "automatisch" gegeben ist. Anspruch 6 verschärft also lediglich die Anforde rungen an die Laminarität der Strömung im Lufteintrittsspalt (9). Weiterhin kann im ge nannten Beispiel die Bedingung Re_S < 600 auch für den Fall, daß die kurze Kante der Ab deckscheibe horizontal angeordnet wird, ohne weiteres eingehalten werden.

Dazu muß lediglich die Luftaufteilung entsprechend gewählt werden (_L,V < _L,V ^max), für das Beispiel muß _L,V < 19,4 kg/h = 0,45._L sein.

Ein horizontal angeordnetes Großkollektormodul mit parallelen, geraden Kanälen hat für das Auslegungsbeispiel eine Länge von L = 31,2 m, wäre also in etwa aus 15 Einzelelementen mit Glasscheiben der Abmessung 1 m × 2 m herstellbar. Die Länge des Lufteinlaßschlitzes beträgt dann l_s = 15 × 2 m = 30 m. Die Forderung Re_S < 600 ist für das Auslegungsbeispiel erfüllt, wenn der Luftmassenstrom im Kanal längs des Strömungspfades linear zunimmt (Re_S ^max 517), ansonsten ergeben sich für die Einzelelemente leicht unterschiedliche Re_S-Zahlen, was aber hinsichtlich der Leistungsfähigkeit unkritisch ist.

Die Betrachtung hat gezeigt, daß bei einem Kleinkollektor die horizontale Anordnung der längeren Glaskante vorteilhaft ist. Ein Großkollektormodul muß horizontal angeordnet sein, was wegen der Länge eines solchen Moduls aus rein praktischen Gründen ohnehin fast immer unumgänglich ist. Vor allem aber ist erläutert worden, daß bei einem erfindungsgemäßen Solarluftkollektor, der Lufttemperaturerhöhungen über Δϑ_L< 90°C erzielen kann, die Strö mung bei Eintritt in den Raum zwischen Absorber (1) und transparenter Abdeckscheibe (2) rechnerisch immer laminar ist.

Anspruch 7 zeigt auf, wie das Wärmespeichervermögen des Kollektors vorteilhaft beeinflußt werden kann.

Das Wärmespeichervermögen bestimmt das Zeitverhalten der Luftaustrittstemperatur (Auf heizgeschwindigkeit, Verhalten bei schwankender Einstrahlleistung) Das Wärmespeicher vermögen des erfindungsgemäßen Kollektors kann bei entsprechender Konstruktion ver gleichsweise niedrig gehalten werden. Dies hat den Vorteil einer hohen Aufheizgeschwindig keit, d. h. bei konstanter Einstrahlleistung wird der stationäre Zustand vergleichsweise schnell erreicht. Allerdings schlagen Schwankungen der solaren Einstrahlleistung dann mit relativ geringer zeitlicher Verzögerung auf die Luftaustrittstemperatur durch, was in einer Reihe von Anwendungsfällen nachteilig ist. Soll das Wärmespeichervemögen gezielt erhöht werden, so werden vorteilhafterweise die an der rückseitigen Wärmeisolationsschicht (5i oder 5) anlie genden Kanalrückseiten (3.1) durch eine ebene Platte gebildet. Die flächenbezogene Wärme kapazität C_F dieser Platte kann dann sehr einfach über die Plattendicke eingestellt werden. Dabei wird idealerweise die flächenbezogene Wärmekapazität des Absorbers (1) möglichst niedrig gehalten, d. h. der Absorber (1) aus dünnem Blech hergestellt. Sinkt jetzt die Ein strahlleistung z. B. wegen einer durchziehenden Wolke ab, so sinkt die Temperatur der Absor berplatte (1) relativ schnell. Dadurch nimmt die Antriebskraft für die freie Konvektion ab, die Wärmeverluste zur Einstrahlseite sinken. Die Temperatur der Kanalrückwände (3.1) sinkt wegen der erheblich höheren Wärmekapazität jedoch wesentlich langsamer, so daß das Ab sinken der Luftaustrittstemperatur gemildert ist.

Besonders vorteilhaft wirkt sich in diesem Zusammenhang die Beschichtung der Kanalinnen fläche gemäß Anspruch 4 aus. In einer Phase reduzierter Einstrahlleistung (nach zuvor hoher Einstrahlleistung) kann dann die Temperatur der Kanalrückwand (3.1) kurzzeitig höher liegen als die Absorbertemperatur.

Insgesamt führt der gezielte Einsatz der Kanalrückwand als Wärmespeicherelement zur Re duzierung der einstrahlseitigen Wärmeverluste bei schwankender Einstrahlleistung. Denn die rückseitigen Wärmeverluste können durch entsprechende Auslegung der Wärmeisolations schichten (5i, 5a) wesentlich einfacher gedrosselt werden als die Wärmeverluste zur Ein strahlseite. Je niedriger also die zeitlich gemittelte Temperatur der Absorberplatte (1) ist, de sto besser ist der zeitlich gemittelte Kollektorwirkungsgrad.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäße Lösung ist in Anspruch 8 be schrieben. Ein niedriges Emissionsverhältnis der Rückseite der Kanalwände (3.1) trägt zur Reduzierung der Wärmeverluste bei.

Ansprüche 9 und 10 zeigen, daß das Kanalsystem (3) sowohl aus geraden, parallel angeord neten, gleichsinnig durchströmten Kanälen aufgebaut werden kann (Anspruch 9, Großkol lektormodul der Länge L), als auch aus nur einem mäanderförmig gewundenem Kanal beste hen kann (Anspruch 10, Kleinkollektor).

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 9 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Großkollektormodul mit geraden, parallelen, recht eckigen Kanälen mit konstantem Kanalquerschnitt.

Fig. 2 zeigt den perspektivischen Längsschnitt eines 1-Kanal-Modellkollektors. Fig. 2 kann auch als schematisierter Längsschnitt A-A des Kollektors nach Fig. 1 aufgefaßt werden.

Fig. 3 zeigt wie Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Großkollektormodul mit geraden, paralle len, rechteckigen Kanälen mit konstantem Kanalquerschnitt und dient der Erläuterung einiger konstruktiver Varianten.

Fig. 4 zeigt das Ergebnis theoretischer Auslegungsberechnungen in graphischer Form.

Fig. 5 und Fig. 6 zeigen Schnitte durch den Prototyp eines erfindungsgemäßen Kleinkollek tors, der zu Testzwecken gebaut wurde.

Fig. 7 zeigt Versuchsergebnisse, die mit dem Prototyp nach Fig. 5 und 6 erzielt wurden.

Fig. 8 zeigt Beispiele für den konstruktiven Aufbau des Kanalsystems (3).

Fig. 9 zeigt eine Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung mit zwei transparenten Abdec kungen.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Großkollektormodul mit geraden, parallelen, gleichsinnig durchströmten Kanälen (Anspruch 9), deren Querschnittsfläche längs des Strömungspfades x konstant ist (Anspruch 3).

Der Solarluftkollektor ist horizontal ausgerichtet und unter dem Winkel β gegen eine Hori zontalebene angeordnet. Die durch die transparente Abdeckscheibe (2) einfallende Solar strahlung _St wird vom Absorber (1) aufgenommen. Der Absorber (1) bildet die einstrahlseiti gen Kanalwände des turbulent durchströmten Kanalsystems (3). Der Teilluftstrom _L,V (7) tritt über den Lufteintrittsfilter (6) in den Zwischenraum zwischen transparenter Abdeck scheibe (2) und Absorber (1) ein. Die schlitzförmige Lufteintrittsöffnung (9) wird jeweils durch die untere, horizontal angeordnete Kante der transparenten Abdeckscheibe (2) und den Absorber (1) bzw. den unteren Rahmen des Luftkanalsystems (3) gebildet. Der Teilluftstrom _L,V (7) wird über eine Vielzahl kleiner Lochungen (11) in das Luftkanalsystem (3) gesaugt. In Fig. 1 können die Lochungen (11) nicht maßstabsgerecht gezeigt werden. Der Verlauf der Luftströmung zwischen Absorber (1) und transparenter Abdeckscheibe (3) ist durch einige idealisierte Stromlinien angedeutet.

In jedem Kollektorquerschnitt, d. h. an jeder Stelle x des Strömungspfades, ist der statische Druck in allen Einzelkanälen gleich (Vergl. Gl. 2). Daher müssen die Absorberlochungen in jedem Querschnitt eines Großkollektormoduls - wie ihn Fig. 1 zeigt - idealerweise gleich groß sein. Betrachtet man nun ein Kollektorteilstück der Länge Δx, so strömt in jedes Einzel kanalstück der gleiche Luftmengenstrom über die Lochungen (11) ein. Dies führt dazu, daß die Zunahme des Luftmassenstroms in allen Einzelkanälen in Strömungsrichtung gleich ist, also _L,1(x) = _L,2(x) = . . . = _L,i(x) gilt.

Weiterhin nimmt dann der zwischen transparenter Abdeckscheibe (2) und Absorber (1) strö mende Luftmassenteilstrom in y-Richtung linear ab.

Es soll hier darauf hingewiesen werden, daß bei einem erfindungsgemäßen Kollektor nach Fig. 1, die Strömungsrichtung der turbulenten Kanalströmung (10) (Koordinate x) und die Strömungsrichtung der (laminaren) Luftströmung zwischen Absorber (1) und transparenter Abdeckscheibe (2) (Koordinate y) senkrecht zueinander stehen.

Die in Fig. 1 gezeigte Variante der erfindungsgemäßen Lösung - d. h. ein Großkollektormodul - ist besonders vorteilhaft. Dies soll für den Fall, daß der Lochabstand in Strömungsrichtung gleichbleibend ist, erläutert werden. Zwar muß dann der Lochquerschnitt der Absorberlo chungen (11) wie bereits erläutert abnehmen. Es ist jedoch nicht erforderlich, daß der Loch querschnitt quasi kontinuierlich abnimmt. Betrachtet man wieder das Beispiel eines aus 15 Einzelelementen (je 1 m × 2 m Glasfläche) gestehenden Großkollektormoduls der Länge L ≅ 30 m, so kann der Absorber (1) eines jeden Einzelelementes mit gleichmäßig verteilten Lo chungen gleicher Größe ausgerüstet werden, d. h. es sind 15 verschieden gelochte Absorber ausreichend und die Lochteilung der Absorber aller Einzelelemente darf identisch sein.

Zwar nimmt dann der Luftmassenstrom der turbulenten Kanalströmung (10) nicht exakt ge mäß einer gewünschten Funktion - z. B. linear - mit der Koordinate x zu. Entscheidend ist jedoch, daß in allen Einzelkanälen der gleiche Verlauf _L,i (x) gewährleistet ist.

Es ist aus fertigungstechnischen Gründen, d. h. aus Kostengründen sehr vorteilhaft wenn die Lochteilung (Lochanordnung) für alle Einzelelemente gleich sein kann und nur ein Lochquer schnitt für jedes Einzelelement vorgesehen werden muß.

An der Rückseite (3.1) des Luftkanalsystems (3) muß eine Wärmeisolationschicht angeordnet werden, die Temperaturen bis 200°C ohne Schädigung erträgt, d. h. im allgemeinen kommen Steinwoll- oder Glasfasermatten in Frage. Fig. 1 zeigt einen zweischichtigen Aufbau der rückseitigen Wärmeisolation. Schicht 5i besteht z. B. aus Steinwolle geeigneter Raumdichte, Schicht 5a z. B. aus einer beidseitig alukaschierten PU-Hartschaumplatte. Dabei muß die Dicke der Schicht 5i so bemessen sein, daß bei Kollektorstillstand die zulässige Temperatur für die äußere Schicht 5a nicht überschritten wird.

In Fig. 1 bildet die Wärmeisolationsschicht 5a - z. B. als beidseitig alukaschierte PU-Hart schaumplatte ausgebildet - auch die Kollektorrückwand und liefert einen wesentlichen Bei trag zur Steifigkeit der Gesamtkonstruktion.

Zur Dichtigkeit der Konstruktion nach Fig. 1 noch einige Bemerkungen. Zunächst muß wie bei jedem Kollektor die transparente Abdeckscheibe (2) gegenüber dem Rahmen (4) abge dichtet sein, um das Eindringen von Regenwasser zu vermeiden. Weiterhin muß die platten förmige Wärmeisolationsschicht (5a) gegenüber dem Rahmen (4) abgedichtet sein, um eine schleichende Durchströmung der Wärmeisolationsschicht (5i) zu vermeiden. Das Luftkanal system (3) muß - mit Ausnahme der Sollöffnungen, d. h. der Absorberlochungen (11) und der Ein- und Austrittsöffnungen - luftdicht sein. Allerdings müssen die Stege (3.2) des Kanal systems nicht luftdicht gegenüber dem Absorber (1) und/oder der Rückseite des Kanalsystems (3.1) sein, da in jedem Kollektorquerschnitt der statische Druck in allen Kanälen gleich ist. Gleichfalls muß das Luftkanalsystem (3) gegenüber dem Kollektorrahmen (4) nicht perfekt abgedichtet werden. Es ist im Gegenteil erforderlich, konstruktiv eine gewisse Beweglichkeit des Luftkanalsystems (3) gegenüber dem Kollektorrahmen (4) zuzulassen. Denn bei den er zielbaren Luftaustrittstemperaturen von über 120°C müssen thermisch bedingte Längenände rungen berücksichtigt werden.

In Fig. 1 steht der Rahmen des Luftkanalsystems (3) in direktem Kontakt mit dem Kollektor rahmen (4). Diese Konstruktion ist nur sinnvoll, wenn der Kollektorrahmen ganz oder teil weise (an Kanalsystem (3) anliegende Teile) aus einem schlechten Wärmeleiter - z. B. Holz - gefertigt wird.

Fig. 1 dient der Erläuterung wesentlicher Aspekte der erfindungsgemäßen Lösung, darf je doch angesichts der Vielzahl der konstruktiven Ausführungsmöglichkeiten nur als ein Bei spiel für eine konstruktive Umsetzung der erfindungsgemäßen Lösung verstanden werden.

Fig. 2 zeigt einen perspektivischen Längsschnitt durch einen 1-Kanal-Modellkollektor mit konstantem Kanalquerschnitt. Der am Kanalanfang (x = 0) eintretende Teilluftstrom _L,E(12) nimmt in Strömungsrichtung, d. h. in Richtung der x-Koordinate, wegen des über eine Viel zahl von Lochungen (11) eintretenden Teilluftstroms _L,V (7) kontinuierlich zu. Fig. 2 zeigt das Beispiel eines in x-Richtung konstanten Lochabstandes. Der dann in x-Richtung abneh mende Lochquerschnitt kann nicht maßstäblich korrekt gezeigt werden. Fig. 2 kann auch als schematisierter Längsschnitt A-A durch ein Großkollektormodul der Kanallänge L - wie es Fig. 1 zeigt - verstanden werden.

Fig. 3 zeigt wie Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Großkollektormodul und unterscheidet sich von Fig. 1 lediglich durch die konstruktive Ausführung. Fig. 3 soll verdeutlichen, daß die er findungsgemäße Lösung auf verschiedenste Weise konstruktiv ausgeführt werden kann. In Fig. 3 sind Kollektorrahmen (4) und Kollektorrückseite (4.1) aus dünnwandigem Material, z. B. Zinkblech, gefertigt. Rahmen (4) und Kollektorrückseite (4.1) können aus nur einer Blechtafel durch Abkanten hergestellt sein, aber auch aus mehreren Einzelteilen zusammen gesetzt sein. Fig. 3 soll vor allem zeigen, daß der Kollektorrahmen (4) und das Luftkanalsy stem (3) thermisch entkoppelt werden sollten, wenn der Rahmen (4) aus metallischen Werk stoffen - also guten Wärmeleitern - hergestellt wird. Zwischen Rahmen (4) und Kanalsystem (3) können bis 200°C temperaturbeständige Wärmeisolationsmaterialien (16) wie in Fig. 3 gezeigt konstruktiv problemlos anordnet werden. Für diesen Zweck gut geeignet sind z. B. marktgängige Silikonschaumprofile.

Fig. 3 zeigt weiterhin, daß die rückseitige Wärmeisolation (5) ausschließlich mittels Glas- oder Steinwolle - d. h. luftdurchlässiger Materialien - ausgeführt werden kann, wenn die Kollektorrückwand (4.1) aus luftundurchlässigem Material - z. B. Zinkblech - gefertigt ist. Da Stein- oder Glasfaserwollen keinen wesentlichen Beitrag zur Steifigkeit der Konstruktion lie fern können, muß die Kollektorrückseite (4.1) durch Einprägungen, Aufsetzen von Profilen o. ä. entsprechend biegesteif ausgeführt werden.

Fig. 4 zeigt ein Ergebnis theoretischer Auslegungsberechnungen für einen erfindungsgemäßen Solarluftkollektor. Dabei wurden wieder die Daten des Auslegungsbeispiels verwendet. An dieser Stelle soll ausdrücklich darauf hingewiesen werden, daß zur Entwicklung der erfin dungsgemäßen Lösung Konstruktion und Test eines Prototyps notwendig waren, da der ther mische Wirkungsgrad ηK rechnerisch nur grob abgeschätzt werden kann. Dies liegt vor allem daran, daß die einstrahlseitigen Wärmeverluste eines erfindungsgemäßen Kollektors auch für einen Fachmann nicht ohne weiteres berechenbar sind.

Trotzdem waren Auslegungsberechnungen und insbesondere der Vergleich von gemessenen und berechneten Kollektorwirkungsgraden zur Entwicklung der erfindungsgemäßen Lösung notwendig.

Fig. 4 ist für einen vorgegebenen Kollektorwirkungsgrad η_K = 0,6 berechnet werden, der mit einem erfindungsgemäßen Kollektor ohne weiteres erreichbar ist.

Fig. 4 zeigt den einfachsten Fall der linearen Zunahme des Luftmassenstroms _L(x) im Ka nal. Da jedes Flächenelement B . dx der einstrahlseitigen Kanalwände - die den Absorber (1) bilden - den gleichen Energieteilstrom q_St . B . dx(1 - ∧_ESt) (∧_ESt = durch transparente Ab deckung (2) und Reflexion des Absorbers (1) verursachter, auf die Einstrahlleistung bezoge ner Einstrahlverlust) aufnimmt, der Luftmassenstrom im Kanal _L(x) jedoch stetig zunimmt, steigt die Lufttemperatur im Kanal am Kanalanfang wesentlich schneller als am Kanalende, d. h. die Zunahme der Lufttemperatur ϑ_L(x) kann nicht linear verlaufen.

Der in Fig. 4 gezeigte Temperaturverlauf ϑ_L(x) ist mit dem angegebenen Parameter sowohl für einen Kleinkollektor nach Anspruch 10 als auch für ein Großkollektormodul nach An spruch 9 gültig.

Der Verlauf des Druckverlustes Δp = f(x) ist jedoch nur für einen Kleinkollektor mit A_K = 2 m² gültig. Ein Kleinkollektor weist wegen der Vielzahl der 180°-Umlenkungen der Strömung einen erheblich höheren Strömungsdruckverlust auf als ein Großkollektormodul.

Die Nichtlinearität des Temperaturverlaufs im Kanal ϑ_L(x) wird noch dadurch verstärkt, daß der Wärmeverlust eines Kanalteilstücks dx proportional zur Temperaturdifferenz ϑ_L(x) - ϑ_U ist. Fig. 4 ist mit der Annahme _V,LKS(x) = konst . (ϑ_L(x) - ϑ_U) berechnet worden. Dabei ist _v,LKS(x) der flächenbezogene, durch Wärmeleitung, -konvektion und -strahlung verursachte Wärmeverlust des Kollektors (ohne Einstrahlverlust _V,ESt!).

Diese Annahme führt jedoch nur bei einem hochselektiven Absorber (1) zu brauchbaren Er gebnissen.

Fig. 4 ist für eine Reynoldszahl am Kanaleintritt R_E = 4500 berechnet, d. h. für die Luftauftei lung gilt _L,E/_L,A = 0,44 (Daten Auslegungsbeispiel, Gleichung (1)). Es ist zunächst nahelie gend, die Reynoldszahl am Kanalanfang Re_E deutlich oberhalb des Mindestwertes Re_E,min = 2300 zu wählen.

Trotzdem verbleibt ein Optimierungsproblem. Je höher das Verhältnis _L,E/_L,A gewählt wird, desto mehr nähert sich der Temperaturverlauf ϑ_L(x) einer Geraden an, d. h. die mittlere Lufttemperatur und damit die mittlere Absorbertemperatur (ϑ_Ab(x) < ϑ_L(x)) sinkt. Diese Wir kungskette ergibt wegen _V,LKS (x) ~ ϑ_Ab(x) - ϑ_u abnehmende Wärmeverluste mit wachsen dem Teilluftstrom _L,E. Dies führt aber wegen _L,V = _L,A - _L,E dazu, daß der zwischen Glasscheibe (2) und Absorber(1) strömende Luftmassenstrom _L,V abnimmt und in der Folge die Stabilität der Luftströmung zwischen dem Absorber (1) und der transparenten Abdeckscheibe (2) abnimmt, da der Einfluß der freien Konvektion zunimmt. Diese zweite Wirkungs kette ergibt wegen des wachsenden konvektiven Wärmetransports vom Absorber (1) zur transparenten Abdeckscheibe (2) mit wachsendem Teilluftstrom _L,E zunehmende Wärme verluste.

Angesichts dieser gegenläufigen Tendenzen und der Schwierigkeiten, die einstrahlseitigen Wärmeverluste rechnerisch zu ermitteln, erschien die experimentelle Ermittlung der geeigne ten Luftaufteilung als der schnellste Weg. Daher wurde der Prototyp eines erfindungsgemä ßen Kleinkollektors gebaut und getestet.

Fig. 5 und 6 zeigen Schnitte durch den Prototyp eines erfindungsgemäßen Kleinkollektors. Dieser Kollektor hat ein Kanalsystem nach Anspruch 10, d. h. einen mäanderförmig gewunde nen Kanal der Länge L. Der Druckverlust eines solchen Kanals wird zu über 50% durch die Vielzahl der 180°-Umlenkungen verursacht. Der Druckverlust wurde durch "Kantenrundung" mittels aufgesteckter, geschlitzter Silikonschlauchstücke(15) gemildert.

Das Luftkanalsystem (3) wurde unter Verwendung eines hochselektiv beschichteten Kupfer bleches (sunselect, Fa. Interpane, Lauenförde) gebaut. Der Rahmen des Luftkanalsystems war aus handelsüblichen Alu-Winkelprofilen gefertigt. Das Luftkanalsystem (3) wurde mittels einer Reihe von Distanzstücken (14) innerhalb des aus Holz gefertigten Kollektorrahmens (4) fixiert. Dabei wurden zwischen den Distanzstücken (14) und dem Rahmen des Kanalsystems (3) Silikonschaumprofilstücke, wie in Fig. 5 angedeutet, angeordnet. Denn thermisch bedingte Längenänderungen müssen wie bereits erläutert zugelassen werden. Die Distanzstücke (14) liefern daneben einen wesentlichen Beitrag zur Steifigkeit der Rahmenkonstruktion (Fig. 6). An der Rückseite des Kanalsystems (3) wurde eine bis 200°C temperaturbeständige Stein wollmatte niedriger Raumdichte (5i) angeordnet. Das Kanalsystem (3) wurde durch leichte Komprimierung der Steinwollmatte (5i) an den Kollektorrahmen (4) gedrückt. Dazu wurde die Polyurethan-Hartschaumplatte (5a) mittels einiger Andruckleisten (17), die am Kollektor rahmen befestigt waren, in geeigneter Weise positioniert.

Die Absorberlochungen (11) wurden mittels handesüblicher Spiralbohrer hergestellt, wobei der kleinste Lochdurchmesser 0,5 mm betrug. Die Auslegung der Absorberlochungen (11) wurde bereits ausführlich erläutert. Beim Prototyp wurden 500 Lochungen je m² angeordnet.

Die Ähnlichkeit zwischen Fig. 6 (Kleinkollektor nach Anspruch 10, nur ein Kanal) und Fig. 1 (Großkollektormodul nach Anspruch 9, mehrere parallele, gleichsinnig durchströmte Kanäle) ist beabsichtigt, die Unterschiede zwischen beiden erfindungsgemäßen Lösungen wurden be reits ausführlich erläutert.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel eines Testergebnisses, das mit dem Prototyp eines erfindungsgemä ßen Kleinkollektors nach Fig. 5 und 6 erzielt wurde.

Zunächst zeigt Fig. 7, daß bei hohen Einstrahlleistungen (ca. 950 W/m²) Lufttemperaturer höhungen von gut 95°C erzielt werden konnten, d. h. bei einer Umgebungstemperatur von ϑ_U = ϑ_L,E ≅ 25°C waren Heißlufttemperaturen ϑ_L,A von gut 120°C erzielbar.

Daneben läßt Fig. 7 einige Rückschlüsse auf das Zeitverhalten des Kollektors zu. Bis etwa 14.00 Uhr war der Himmel wolkenfrei, danach schwankte wegen hoher dünner Bewölkung die Einstrahlleistung bis etwa 15.30 Uhr. Da das Luftkanalsystem (3) des Prototyps aus dünnwandigen Blechen hergestellt war, folgte die Luftaustrittstemperatur der Einstrahllei stung vergleichsweise direkt. Kurzzeitschwankungen der Einstrahlleistung schlagen jedoch nur stark gedämpft auf die Luftaustrittstemperatur durch.

Es ist bemerkenswert, daß auch nachmittags bei Einstrahlleistungen zwischen 750 und 650 W/m² (15.45-16.45 Uhr) die Luftaustrittstemperatur noch oberhalb von 90°C lag. Dabei ist zu berücksichtigen, daß der Kollektor ortsfest montiert war (keine Nachführung), d. h. trotz der am späten Nachmittag schon recht ungünstigen Einstrahlwinkel noch vergleichsweise hohe Luftaustrittstemperaturen erzielbar waren.

Aus Fig. 7 und deutlicher noch aus weiteren hier nicht gezeigten Testergebnissen geht hervor, daß der Kollektorwirkungsgrad bei etwa gleicher spez. Luftmenge _L* mit abnehmender Ein strahlleistung, d. h. abnehmender Luftaustrittstemperatur, zunimmt.

Im Übrigen wurde bei den Tests vor allem das Luftmengenverhältnis _L,E/_L,A über die Staf felung der Durchmesser der Lochungen (1 l) variiert. Dabei hat sich gezeigt, daß der Wir kungsgrad η_K im Bereich m_L,E/m_L,A = 0,45-0,55 kaum von der Luftaufteilung abhängt.

Fig. 8 zeigt zwei Beispiele für den konstruktiven Aufbau des Luftkanalsystems (3). Zum Zeit punkt des Entwurfs des Prototyps (1998) waren am Markt nur hochselektiv beschichtete Kup ferbleche der Stärke 0,25 mm/0,35 mm erhältlich (TINOX GmbH, 80797 München, sunse lect, Interpane Solar Beschichtungs GmbH, 37697 Lauenförde). Wie bereits erläutert ist die Verwendung eines hochselektiv beschichteten Absorbers erforderlich, wenn hohe Luftaus trittstemperaturen (Δϑ≧ 90°C) erzielt werden sollen. Für die Konstruktion eines Luftkollek tors wären jedoch hochselektiv beschichtete Aluminiumbleche ausreichend. Darüber hinaus würde sich die Zahl der realisierbaren Konstruktionsvarianten erhöhen, wenn hochselektiv beschichtete Aluminiumbleche mit größerer Blechstärke (z. B. 0,7 mm) verfügbar wären. Die Konstruktion des Luftkanalsystems des Prototyps 1998 mußte jedoch mit marktgängigen Absorbermaterialien, d. h. hochselektiv beschichtetem Kupferblech der Stärke 0,25 mm aus kommen. Realisiert wurde Variante a) nach Fig. 8. Aus Bahnenware des Absorberblechs wur den mittels einer für Dünnbleche geeigneten Schlagschere Blechstreifen gleicher Breite und Länge geschnitten. Nach Ausklinken einer Ecke wurden die Bleichstreifen abgekantet, so daß L-förmige Profile entstanden. Diese Profile wurden überlappend in einen aus Aluminium-L- Profilen gefertigten Rahmen (3.3) eingeklebt. Dabei wurde handelsübliches, bis 200°C be ständiges, Silikon als Klebstoff verwendet. Die Rückseite des Luftkanalsystems wurde aus einer 0,8 mm starken Alu-Blechplatte gefertigt, die nur an dem Winkelrahmen (3.3) des Luft kanalsystems befestigt war. Die Abdichtung der Stege (3.2) gegenüber der Rückseite (3.1) erfolgte lediglich durch den leichten Druck, den die leicht komprimierte Wärmeisolations schicht (5i) auf die Rückseite (3.1) ausübt.

Vorteile dieser Konstruktion sind.

1. Ausreichend steifes und dichtes Kanalsystem problemlos herstellbar.
2. Gute Wärmeableitung vom Absorber (1) an die Stege (3.2).
3. Alle Kanalinnenflächen können vor Aufsetzen der Rückseite (3.1) problemlos mit einer schwarzen Lackierung gemäß Anspruch 4 versehen werden.

Die Absorberfläche (1) wird also durch eine Vielzahl von Schenkeln der L-förmigen Absor berprofile gebildet. Je m² Absorberfläche werden mehr als 2 m² hochselektiv beschichtetes Absorberblech benötigt.

Variante b) in Fig. 8 zeigt ein weiteres Konstruktionsbeispiel. Auf eine Aluminiumplatte (3.1) sind Aluminiumprofile aufgesetzt, die die Stege (3.2) des Luftkanalsystems bilden. Diese Pro file können durch Abkanten aus Alublechstreifen hergestellt werden und z. B. mittels Kleben oder Nieten mit der Rückseite (3.1) verbunden werden. Dadurch wird gleichzeitig die Rück seite (3.1) ausgesteift. Das Absorberblech (1) ist nur mit dem Rahmen des Luftkanalsystems luftdicht verbunden, d. h. es liegt auf den Winkelprofilen, die die Stege (3.2) bilden, nur lose auf. Dies ist jedoch ausreichend, da während des Kollektorbetriebes im Kanalsystem Unter druck herrscht, so daß das (dünnwandige) Absorberblech (1) durch Druckkräfte an die Schenkel der Stegprofile (3.2) gedrückt wird. Auch diese Konstruktion gewährleistet eine gute Wär meableitung vom Absorber (1) an die Stege.

Vorteil der Variante b) ist der niedrigere Verbrauch von hochselektiv beschichtetem Absor berblech.

Bei beiden Konstruktionsvarianten kann das Wärmespeichervermögen des Kollektors, d. h. sein Zeitverhalten, durch die Wahl der Blechstärke der Rückseite des Luftkanalsystems (3.1) sehr einfach gezielt eingestellt werden (vergl. Erläuterung zu Anspruch 7).

Die in Fig. 8 gezeigten konstruktiven Lösungen sind nur als Beispiele zu verstehen. Die je weils günstigste konstruktive Lösung ergibt sich im Einzelfall auch unter Berücksichtigung der verfügbaren fertigungstechnischen Möglichkeiten.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß insbesondere bei einem Großkollektormodul mit ge raden, parallelen Kanälen (Anspruch 9) der Kanalquerschnitt nicht zwangsläufig rechteckig sein muß, sondern eine Vielzahl von Kanalquerschnittsformen möglich ist.

Fig. 9 zeigt einen Querschnitt durch eine 2-Scheiben-Version eines Großkollektormoduls mit geraden, parallelen Kanälen mit konstantem Kanalquerschnitt. Die Strömung zwischen den beiden Glasscheiben ist laminar. Der gegenüber der Einscheibenversion erhöhte konstruktive Aufwand erscheint nur gerechtfertigt wenn bei Einstrahlleistungen von etwa 900 W/m² Luft temperaturerhöhungen Δϑ_L ≧ 100°C erzielt werden sollen.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß durch Bau und Test eines erfindungsgemä ßen Kleinkollektors die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Lösung nachgewiesen werden konnte.

Mit erfindungsgemäßen Einscheibenkollektoren können bei günstigen Bedingungen (q_St ≅ 950 W/m², ϑ_L,E = ϑ_U ≅ 25°C) Luftaustrittstemperaturen von gut 120°C erzielt werden. Besondere Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind:

1. Erfindungsgemäße Solarluftkollektoren können unter Verwendung marktverfügbarer Materialien gebaut werden.
2. Trotz der erzielbaren hohen Luftaustrittstemperaturen sind die erfindungsgemäßen Solar luftkollektoren stillstandsfest, d. h. sie verkraften den Ausfall der Luftförderung ohne Schädigung.

Anwendungen

Bekannte Einsatzgebiete für die erfindungsgemäßen Hochtemperatursolarluftkollektoren sind

1. konvektive Trocknungstechnik
2. Gebäudeklimatisierung mittels sog. offener Adsorptionskältemaschinen ("Desiccant coo ling").

Da bereits mit der Einscheibenversion eines erfindungsgemäßen Luftkollektors bei sommer lichen Einstrahlbedingungen zeitweise Luftaustrittstemperaturen von gut 120°C erreicht wer den können, eröffnet sich ein zusätzliches Einsatzfeld für Solarluftkollektoren. Dies ist die verlustarme Langzeitspeicherung von Solarenergie, genauer gesagt solar gewonnener Enthal pieerhöhung eines Fluids, mittels sog. Sorptionsspeicher. Bei diesem Speicherprinzip wird Wärmeenergie nicht als Enthalpie (früher auch als "fühlbare Wärme", heute populärwissen schaftlich als "sensible Wärme" bezeichnet), sondern als Bindungsenergie gespeichert. Von besonderem Interesse sind hier Sorptionsspeicher, die mit Feststoffschüttungen (z. B. Silikagele, Zeolithe) arbeiten.

Fischer u. A. /1/ berichten über Konzeption, Bau und Testergebnisse eines Zeolithspeichers (Zeolith 13x, Korngröße 2-4 mm). Dieses Speichersystem wurde zum Lastausgleich für ein Niederdruckdampf-Fernwärmenetz entwickelt.

Bei diesem System werden mehrere mit Zeolith-Schüttungen gefüllte Spezialbehälter wäh rend der Desorption (= Ladebetrieb des Speichers) mit Heißluft durchströmt, wobei die Ent halpie der Heißluft teilweise an die Schüttung übertragen wird und zur Desorption des Zeo liths verwendet wird. Ist die Desorption abgeschlossen, so muß der Behälter lediglich luft dicht abgeschlossen werden, um den Zutritt von Luftfeuchtigkeit zu verhindern. Die an die Zeolitrischüttung übertragene Wärmeenergie ist dann überwiegend als Bindungsenergie ge speichert, d. h. Energieverluste wie bei einem Warmwasserspeicher (Energie als Fluidenthal pie gespeichert) können nicht auftreten. Damit ist eine praktisch verlustfreie Langzeitspeiche rung von Wärmeenergie möglich. Ein weiterer entscheidender Vorteil dieses Speicherprinzips ist die gegenüber herkömmlichen Warmwasserspeichern wesentlich höhere volumenbezogene Speicherkapazität. Gegenüber einem herkömmlichen Warmwasserspeicher mit einer Temperaturspreizung von 50°C kann ein Zeolithspeicher, der mit Heißluft von 120°C desorbiert wird, je Volumeneinheit etwa die 3-fache Wärmeenergiemenge speichern.

Allerdings ist für den Ladebetrieb des in /2/ beschriebenen Zeolithspeichers trockene Heißluft (= erhitzte Umgebungsluft) mit einer Temperatur von ≧ 120°C erforderlich. Die Bereitstel lung von Heißluft auf einem derart hohen Temperaturniveau ist mit am Markt erhältlichen nichtkonzentrierenden Solarkollektoren kaum möglich. Selbst mit Vakuumröhrenkollektoren zur Erhitzung von Flüssigkeiten kann Heißluft dieser Temperatur derzeit nicht wirtschaftlich sinnvoll bereitgestellt werden.

Dagegen können bereits mit der Einscheibenversion eines erfindungsgemäßen Solarluftkol lektors zeitweise Heißlufttemperaturen von gut 120°C erzielt werden. Mit einer Zweischei benversion nach Fig. 9 können Heißlufttemperaturen von 120°C auch bei Einstrahlleistung deutlich unterhalb von 900 W/m² erzielt werden bzw. bei hohen Einstrahlleistungen (< 900 W/m²) können Luftaustrittstemperaturen oberhalb von 120°C erreicht werden.

Damit stellen die erfindungsgemäßen Solarluftkollektoren einen wichtigen Baustein für ein sehr leistungsfähiges System zur verlustarmen Langzeitspeicherung solar gewonnener Wär meenergie dar.

Fachliteratur

/1/ Fischer; S., u. a.
Thermochemische Speicherung und Wärmetransformation von Fernwärme zum Lastausgleich in einem Fernwärmenetz (TGS II).
Abschlußbericht BMFT-Forschungsvorhaben 0329662A
Bayrisches Zentrum für angewandte Energieforschung e. V. (ZAE Bayern) Februar 1999
/2/ Digel, R.
Optimierung eines hocheffizienten Sonnenflachkollektors mit luftdurchströmter, transparenter Kapillarstruktur.
Dissertation, Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik der Universität Stuttgart, 1994

Verwendete Formelzeichen

Verwendete Definitionen

Bezugszeichenliste

1

Absorber

2

transparente Abdeckscheibe

2

a äußere transparente Abdeckscheibe (nur 2-Scheiben-Version)

3

Luftdurchströmtes Kanalsystem

3.1

Rückseite des Kanalsystems

3.2

Stege des Kanalsystems

3.3

Rahmen Kanalsystem (z. B. Alu L-Profil)

4

Kollektorrahmen

4.1

Kollektorrückwand

5

Wärmeisolationsmaterial

5.1

Wärmeisolationsschicht (Steinwolle/Glaswolle)

5.2

Biegesteife Wärmeisolationsschicht (z. B. Polyurethan-Hartschaum)

6

Lufteintrittsfilter

7

Teilluftstrom _L,V

8

Abschirmblech

9

schlitzförmige Eintrittsöffnung für Teilluftstrom _L,V

(Höhe s, Länge ls)

10

turbulente Luftströmung in den Kanälen

11

Lochungen in Absorber (

1

)

12

Teilluftstrom _L,E

13

Gesamtluftstrom _L,A

14

Distanzstücke

15

Kantenschutzprofilstück

16

Wärmeisolationsmaterial (Profile z. B. aus Silikonschaum)

17

Andruckleiste

Claims

1. Solarflachkollektor zur Erhitzung von gasförmigen Fluiden mit wenigstens einer transpa renten Abdeckscheibe (2), einem Absorber (1) zur Absorption der einfallenden Solarstrah lung, der die zur Einstrahlseite gerichteten Kanalwände eines turbulent (Re < 2300) durch strömten Kanalsystems bildet, wobei alle Kanalwände aus metallischem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit (Aluminium, Kupfer) gebildet werden, die Absorberfläche mit einer se lektiven Ausrüstung (im Wellenlängenbereich der Solarstrahlung: α_St < 0,9, im infraroten Bereich, d. h. hier für λ < 2,5 µm : ε < 0,1) versehen sein kann und die Reynoldszahl der Ka nalströmung an der Luftaustrittsseite größer als 5000 ist (Re_A < 5000) und einer oder mehre ren an der Rückseite des Kanalsystems (3) angeordneten Wärmeisolationsschichten (5i, 5a), dadurch gekennzeichnet, daß der in den Kollektor eintretende Luftstrom in der Weise auf geteilt wird, daß ein Teilluftstrom (12) am Kanalanfang in den Kanal (die Kanäle) des Kanal systems (3) eintritt und die übrige Teilmenge des Gesamtluftstroms aus dem Raum zwischen Absorber (1) und transparenter Abdeckscheibe (2) über eine Vielzahl von über die gesamte Absorberfläche verteilten kleinen Lochungen (11) in das Kanalsystem (3) einströmt und daß der insgesamt über die Absorberlochungen (11) einströmende Teilluftstrom (7) wenigstens ein Drittel des Gesamtluftstroms (13) beträgt.

2. Solarluftkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Ka nals (der Kanäle) des Kanalsystems (3) längs des Strömungsweges entsprechend der Erhö hung des Luftmassenstroms, der durch den Eintritt von Luft über die Absorberlochungen (11) bedingt ist, kontinuierlich zunimmt, so daß auch am Kanalanfang die Kanalreynoldszahl größer als 5000 ist (Re_E < 5000), d. h. die Strömung über die gesamte Kanallänge vollturbu lent ist.

3. Solarluftkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Kanals (der Kanäle) des Kanalsystems (3) über den Strömungsweg konstant ist und daß mittels Anzahl und Größenstaffelung der Absorberlochungen (11) sowie der Größe der Querschnittsfläche der Lufteintrittsöffnung(en) für den Teilluftstrom _L,E (12) der am Kanalanfang eintretende Teilluftstrom (12) so eingestellt ist, daß die Kanalreynoldszahl am Kanalanfang < 2300 ist (Re_E < 2300).

4. Solarluftkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ka nalinnenflächen mit einer Beschichtung versehen sind, die im gesamten Wellenlängenbereich ein hohes Absorptionsverhältnis α_St ≧ 0,9 aufweist und eine Temperaturbeständigkeit von mindestens 200°C aufweist.

5. Solarluftkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Raum zwischen Absorber (1) und transparenter Abdeckscheibe (2) eintretende Teilluft strom (7) über eine schlitzförmige Lufteintrittsöffnung in den durch die untere(n) horizontal verlaufende Kante(n) der transparenten Abdeckscheibe(n) (2) und den Absorber (1) gebilde ten Spalt (9) eintritt, so daß die Schlitzlänge in etwa der horizontalen Kantenlänge der trans parenten Abdeckscheibe(n) (2) entspricht, wobei die Lufteintrittsöffnung mit einem Filter (6) ausgerüstet ist, der einen Mindestdruckverlust von 5 Pa aufweist und von Partikeln < 0,1 mm nicht passiert werden kann.

6. Solarluftkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reynoldszahl der in den Zwischenraum zwischen Absorber (1) und transparenter Abdeck scheibe (2) eintretenden Luftströmung bei Eintritt in den Spalt zwischen Absorber (1) und transparenter Abdeckscheibe (2) unterhalb von 600 liegt (Re_V < 600).

7. Solarluftkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die an der rückseitigen Wärmeisolatonsschicht (5i) anliegenden Kanalwände durch eine ebene, vor zugsweise aus Aluminium gefertigte Platte (3.1) gebildet werden und diese Platte so ausge führt ist, daß deren flächenbezogene Wärmekapazität C_F ≧ 5 kJ/(Km²) ist.

8. Solarluftkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an der rückseitigen Wärmeisolatonsschicht (5i) anliegenden Flächen des Kanalsystems (3) ein niedriges Emissionsverhältnis E aufweisen.

9. Solarluftkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das tur bulent durchströmte Kanalsystem (3) aus geraden, parallel angeordneten, gleichsinnig durch strömten Kanälen besteht und daß die Kanäle horizontal angeordnet sind, wobei die Länge des Lufteintrittsschlitzes l_s für den in den Raum zwischen Absorber (1) und transparenter Ab deckung (2) eintretenden Teilluftstrom (7) in etwa der Kanallänge L entspricht (ls ≈ L).

10. Solarluftkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das turbulent durchströmte Kanalsystem (3) aus nur einem mäanderförmig gewundenem Kanal besteht, wobei die geraden parallelen Teilstücke horizontal ausgerichtet sind.