DE10039111B4

DE10039111B4 - Solarabsorber

Info

Publication number: DE10039111B4
Application number: DE10039111A
Authority: DE
Inventors: Frank Triesch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2000-08-07
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2020-08-08
Also published as: DE10039111A1

Abstract

Solarabsorber zur Nutzung von Solarenergie, bestehend aus einem Absorber (5) und den die mit dem Absorber (5) aufgenommene Solarenergie abführenden umfangsseitig geschlossenen Wärmeträgerkanälen (1, 2), äußeren Anschlüssen (3) und Verbindungsleitungen zum übrigen Solarsystem, dadurch gekennzeichnet, dass alle im System frostgefährdeten Elemente, wie die Wärmeträgerkanäle (1, 2), die äußeren Anschlüsse (3) und die Verbindungsleitungen mit einem kreisrunden Querschnitt eine elastisch dehn- oder stauchbare Wand, oder dass die Wärmeträgerkanäle (1, 2), die äußeren Anschlüsse (3) und die Verbindungsleitungen mit einem nicht kreisrunden Querschnitt eine zumindest zum Teil elastisch federnde Wand aufweisen, die aus einem thermisch und mechanisch ausreichend beständigen Material bestehen.

Description

Es ist bekannt, Solarabsorber, die in offene Solarsysteme eingebunden sind, zur Gewährleistung der Frostsicherheit entleerbar zu gestalten ( DE 275 38 10 A1 ). Dabei erfolgt regelmäßiger Sauerstoffeintrag in das System, was zu Korrosion und Biofouling führt sowie mit der Verdunstung des Wärmeträgermediums und der Begrenzung der Betriebstemperatur auf unter 100 °C verbunden ist.

Um diese Probleme zu umgehen, ist es ferner bekannt, zur Gewährleistung der Frostsicherheit Solarabsorber in geschlossene Systeme einzubinden und diese mit Frostschutzmitteln zu betreiben. Frostschutzmittel ermöglichen, dass der herkömmliche Solarabsorber ganzjährig befüllt bleiben kann, jedoch entsteht durch die ihnen im Vergleich zu Wasser eigenen schlechteren Stoffkennwerte ein höherer Druckverlust und Pumpenergieaufwand. Frostschutzmittel erfordern ein vom meist mit Wasser befüllten Wärmeverbraucher getrenntes System mit gesondertem Ausdehnungsgefäß, Sicherheitsventil und Wärmeübertrager. Letzterer bedingt zusätzliche Temperaturdifferenz und Druckverlust. Frostschutzmittel sind nicht umweltneutral, altern und sind im Vergleich zu Wasser um ein Vielfaches teurer.

Zur Lösung einiger der genannten Probleme wurden entleerbare Solarabsorber für geschlossene Solarsysteme mit Flach- und Röhrenabsorbern entwickelt ( DE 2839258 A1 , DE 4315864 C2 ; DE 4440036 C2 ). Die Entleerbarkeit der ebenfalls frostgefährdeten Anschlussleitungen durch deren Verlegung mit durchgehendem Gefälle ist jedoch nicht in jedem Falle praktisch realisierbar, so dass diese Systeme nicht immer mit Wasser betrieben werden können. Ein gesondertes Auffang- bzw. Entleerungsgefäß sowie eine Spezialpumpe, die die gesamte Förderhöhe des Solarsystems während der Befüllung überwindet, sind erforderlich. Absolute Gasdichtheit ist nur schwer zu gewährleisten, so dass es zu Verlusten kommen kann und Luft bzw. Inertgas nachgespeist werden muss. Beim Einsatz von systemtrennenden Wärmeübertragern werden nicht alle Vorteile des Wärmeträgermediums Wasser nutzbar.

Auch sind einige Lösungsansätze bekannt, Solarsysteme ständig mit dem Wärmeträger Wasser befüllt zu belassen. Dabei wird der Frostschutz des Rohrsystems und des Absorbers durch in metallische Rohre eingezogene Kunststoffrohre ( US 39 89 032 , DE 198 56 530 A1 ) oder durch flexible Schläuche, insbesondere aus speziell vernetztem und mit Zusatzstoffen versetztem EPDM-Kautschuk, die mit den metallischen Absorbern in thermischem Kontakt stehen, gewährleistet ( DE 195 05 857 C2 ).

Dem Wärmeträgermedium braucht kein Frostschutzmittel beigemengt zu werden, da das Kunststoffmaterial aufgrund seiner Elastizität gegen Gefrier- und Auftauprozesse unempfindlich ist. Für eine hohe Anzahl von Einfrier- und Auftauzyklen wird eine Wandstärke von 1,5 mm bis 2 mm gewählt. Der Kunststoffschlauch kann u. a. einteilig ausgeführt sein und durch alle Absorberstreifen eines Solarabsorbers verlaufen.

Kunststoff ist jedoch prinzipiell aus folgenden Gründen schlecht geeignet für Solarabsorber: Die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoff ist um Größenordnungen schlechter, als die von Metallen wie Kupfer, Aluminium oder Edelstahl – der Wirkungsgrad von derartigen Solarabsorbern kann deshalb nur schlechter sein, als der von herkömmlichen metallischen. Die Festigkeit von Kunststoffen sinkt sehr stark mit steigender Temperatur, insbesondere bei den an Kollektoren anliegenden hohen Arbeits- und noch höheren Stillstandstemperaturen – dies kann unter Einwirkung des gerade auch bei hohen Stillstandstemperaturen besonders hohen Innendruckes des Solarsystems zu einer eventuell irreversiblen Weitung der Kunststoffschläuche führen bzw. es muss mit wesentlich größeren Wandstärken gearbeitet werden, als bei metallischen Absorbern. Kunststoffe altern, besonders schnell unter Einwirkung hoher Temperaturen – die Arbeitsfähigkeit von derartigen Solarabsorbern ist deshalb zeitlich begrenzter, als die von metallischen Absorbern. Kunststoffschläuche sind aus den genannten Gründen in Röhrenabsorbern mit dem ihnen eigenen extrem hohen Temperaturniveau von bis zu über 300 °C überhaupt nicht einsetzbar.

Reine Kunststoffe sind nicht vollständig gasdicht, ein aus der Fußbodenheizung bekanntes Phänomen – die durch die Rohrwand diffundierenden Bestandteile der Luft wie Sauerstoff und Stickstoff lagern sich im Inneren geschlossener Systeme ab, führen zu Strömungsproblemen und Korrosion. Bei Trinkwassersystemen ist dies nicht problematisch, da hier ein ständiger Wasseraustausch erfolgt, die Gase dabei entweichen können und die Trinkwassersysteme aus korrosionsbeständigen Materialien bestehen. Für die Solarenergienutzung mit geschlossenen Heizsystemen wäre jedoch bei Einsatz der geschützten Solarabsorber ein abgetrenntes Solarsystem wie bei Fußbodenheizungen oder Frostschutzmittel befüllten Solarsystemen erforderlich, um Langzeitstabilität des Gesamtsystems zu gewährleisten. Solarabsorber mit einteiligen Kunststoffschläuchen besitzen durch die große Länge und die vielen Umlenkungen des Kunststoffschlauches einen relativ hohen Druckverlust und zudem eine geringere Effektivität, da die Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeträgermedium und dem Solarabsorber über eine größere Fläche hin immer weiter absinkt, als dies bei parallel durchströmten Solarabsorbern der Fall ist. Eine besondere Vorgehensweise bei der Herstellung des mäanderförmigen Absorbers ist erforderlich, um das Kunststoffrohr, sofern es in ein metallisches Rohr eingezogen ist, beim Anlöten der Absorberbleche nicht zu beschädigen. Parallel durchströmte Absorber sind auf diese Weise nicht realisierbar.

Bei der Lösung gemäß US 39 89 032 wird in das Absorberrohr ein Gummirohr eingezogen, welches an dem einen Ende geschlossen und fixiert ist und am anderen Ende mit dem Wasserspeicher kommuniziert. Der statische Luftdruck ist höher, als der statische Wasserdruck im Absorber bei still stehender Pumpe, was zu einem weitgehenden Verdrängen des Wassers in den Speicher führt. Ein besonderer Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass der Speichertank immer tiefer angeordnet sein muss, als der Absorber, um das Verhältnis der statischen Drücke zu erzeugen. Zur Lösung der thermischen Probleme ist eine künstliche Kühlung mit Wasseraustausch bei Erreichen der Maximaltemperatur für den Gummi vorgesehen.

Bei der Lösung gemäß DE 198 56 530 A1 wird der Frostschutz des Rohrsystems durch einen Kunststoffschlauch im Innern, welcher auch durch den Kollektor in einem Verbindungsrohr geführt wird gewährleistet. Das Wasser friert von außen nach innen und presst den Kunststoffschlauch zusammen. Bei Erwärmung des Verbindungsrohrs durch die Sonne zirkuliert die Warmluft im Schlauch und taut das Eis im Rohrsystem selbsttätig auf.

Der Frostschutz des Kollektors wird durch dessen elastische Ausführung erzielt. Beim Einfrieren von außen nach innen buchtet sich der Kollektor aus, der gefederte Rahmen nimmt die Spannungen auf. Beim Schmelzen des Eises geht der Kollektor durch sein Eigengewicht wieder in die ursprüngliche Form zurück.

Die Nachteile dieses Systems bestehen darin, dass es nur drucklos zu betreiben ist, da ansonsten durch den Wasserdruck der Kunststoffschlauch bereits komprimiert und der Kollektor bereits geweitet würden und ihre Frostschutzfunktion verlieren würden. Drucklose Systeme erfordern zusätzliche Wärmeübertrager zur Wärmeabgabe an die unter Druck stehenden Wärmeverbraucher. Hier entsteht ein zusätzliches Temperaturgefälle. Der Wirkungsgrad der Anlage sinkt. Der Kollektor hat einen großen Wasserinhalt, der viel Solarenergie zum Wiederauftauen erfordert. Die freie Konvektion der Luft durch einen langen Kunststoffschlauch kleinen Durchmessers ist praktisch ausgeschlossen. Das Wiederauftauen des gefrorenen Wassers im Rohrsystem würde dadurch sehr lange dauern. In dem Maße, wie der Kunststoffschlauch dem Auftauen des gefrorenen Rohres dient, so würde er bei Betrieb der Solaranlage auch zu Wärmeverlusten führen. Der Kollektor ist immer als unterer Punkt der Anlage, der Speicher als oberer Punkt zu installieren, da ansonsten die freie Konvektion der Luft und des Wassers nicht zustande kämen.

Um die Nachteile der aus Kunststoff ausgeführten frostsicheren Absorber zumindest teilweise zu überwinden, ist es ferner bekannt, Solarabsorber aus einem mäanderförmig verlaufenden Metallrohr mit einem Innendurchmesser von ca. 6 mm auszuführen, in dem das zu erwärmende Medium fließt, zum Beispiel direkt das zu erwärmende Brauchwasser. Als Absorber sollen vorzugsweise Kondensatoren aus der Kältetechnik verwendet werden ( DE 196 29 789 A1 ).

Zu den Nachteilen dieser Lösung zählt, dass in Reihe geschaltete Mäander, insbesondere mit kleinen Innendurchmessern von ca. 6 mm einen im Vergleich zu parallel geschalteten Absorberröhrchen hohen Druckverlust aufweisen. Es ist so, auch im Zusammenhang mit den verwendeten aus der Kältetechnik abgeleiteten Absorbern, nur ein kleiner Kollektor von 0,6 m² mit höherem spezifischen Rahmenanteil und somit höheren spezifischen Wärmeverlusten und Kosten realisierbar, als herkömmliche größere Kollektoren ab ca. 2 m² Fläche. Ein mäanderförmiges Rohr mit einem Innendurchmesser von 6 mm ist nicht zwangsläufig und dauerhaft frostsicher, um direkt den zu erwärmenden Wärmeträger durchleiten zu können. Insbesondere in den Umlenkungen kann das sich ausdehnende Wasser beim Gefrieren zu Verformungen führen, da alle Rohrteile auf Grund des gleichen Durchmessers gleichzeitig einfrieren. Eine Entleerung mäanderförmiger Rohre zur Gewährleistung der Frostsicherheit ohne äußere Einwirkung – zum Beispiel mittels Druckluft mit einer entsprechend aufwendigen und kostspieligen Druckluftanlage – ist jedoch praktisch unmöglich, da bei einem Innendurchmesser von 6 mm bereits Kapillarkräfte wirken. Eine technische Lehre zur frostsicheren Parallelverschaltung derartiger Kollektoren fehlt.

Auch ist bekannt, Zweisteg-Kammerplatten aus Kunststoff als obere Abdeckung von Solarabsorbern zu verwenden (Broschüre "RETEC Solartechnik" der RETEC Regenerative Energieanlagen GmbH, Wartburg 1, 09514 Lengefeld). Hier ersetzen die Zweisteg-Kammerplatten eine Doppelisolierverglasung durch ein leichteres und preiswerteres Material. Ein solcher Solarabsorber ist im ganzen jedoch ähnlich aufgebaut, wie alle am Markt üblichen Solarabsorber und ihm haften auch deren Nachteile von relativ hohem Gewicht und großer Bauhöhe an. Bei der Lösung gemäß DE 196 29 789 A1 werden Kunststoff-Kammerplatten als obere und untere Abdeckung von Solarabsorbern empfohlen. Polycarbonatplatten als untere abschließende Isolierung zu verwenden, ist sehr kostenintensiv und von der Dämmwirkung nicht gleichwertig mit einer herkömmlichen thermischen Isolierung, zum Beispiel mittels Polystyrolschaumplatten.

Ferner wurde vorgeschlagen, Solarabsorber aus mehrere Ebenen aufweisenden Mehrsteg-Kammerplatten aus Kunststoff zu gestalten ( DE 38 15 751 ). Dabei erfolgt direkt in Kanälen der mittleren Ebenen der Mehrsteg-Kammerplatten die Strömung des Wärmeträgermediums. Dementsprechend kompliziert ist die Abdichtung der Anschlüsse und Endverschlüsse der vielen Kanäle derartiger Mehrsteg-Kammerplatten nach außen und untereinander. Der Wärmeträger könnte praktisch nur drucklos durch die Mehrsteg-Kammerplatten geführt werden. Der drucklose Zustand eines flüssigen Wärmeträgermediums würde eine niedrige Verdampfungstemperatur bedingen. Die Mehrsteg-Kammerplatten würden im Stillstand bei Überhitzung durch Schläge des sich bildenden Dampfes undicht oder mechanisch zerstört werden. Das überhitzte Wärmeträgermedium würde direkt an den Kanalwänden anliegen und je nach Temperatur zu einer beschleunigten Alterung, thermischen Schädigung oder unmittelbaren Zerstörung des Kunststoffs führen. Vorsichtshalber müssten die Solarabsorber bei Stillständen entleert werden.

Chemische Wärmeträgermedien, wie bestimmte Frostschutzmittel, zersetzen selektiv Kunststoffe. Sie altern unter direkter Lichteinwirkung auch selbst schneller und müssten aus diesen Gründen speziell ausgewählt werden. Die Kanäle von handelsüblichen Mehrsteg-Kammerplatten fassen eine überdurchschnittlich große Menge an Wärmeträgermedium, was bei Frostschutzmitteln zu einer Erhöhung der Investitionskosten, der Trägheit des Systems und des Solarabsorbergewichts führen würde.

Ebenfalls bekannt sind Speicher-Solarabsorber, bei denen direkt das aufzuwärmende Wasser gespeichert wird ( DE 38 07 605 C2 ). Unaufbereitetes Brauchwasser ist nicht das ideale Speichermedium. Es kann die Wärme bei den gewünschten Nutzungstemperaturen nur sensibel speichern. Hohe Wärmeverluste versucht man durch eine aufwendige Isolierung zu verringern. Das unaufbereitete Brauchwasser kann Ablagerungen oder Korrosion an den Absorberflächen verursachen.

Brauchbare Speichermengen bedingen einen großen Solarabsorber mit hohem Gewicht, der einen Teileinbau in ein Dach erfordert oder optisch wenig ansprechend aussieht.

Ferner wurden aus anderen Bereichen wie der Automobilindustrie frühzeitig Bestrebungen bekannt, das Problem der Beschädigung durch das Einfrieren von mit Wasser befüllten Anlagenteilen konstruktiv zu verhindern.

So wurde ein nichtberstendes Kühlerrohr angemeldet ( US 14 48 075 ). Zur Frostsicherheit soll jedes der Kühlerrohre mit Längs- oder Spiralrippen oder Wellen versehen werden, die Wasser durchströmt sind und bei hohem Innendruck durch Einfrieren eine Erweiterung des Querschnitts zulassen. Die Rohre sind auf ihrer ganzen Länge mit den Wellen versehen, auch an ihrer Befestigungsstelle, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Zu den Nachteilen dieser Lösung zählt, dass die Form der Wellen nicht näher definiert ist. Es kann deshalb beim Einfrieren sein, dass das Wasser sich stärker ausdehnt, als die Rippen in der Lage sind, sich auszudehnen. Eine Beschädigung wäre nicht auszuschließen. An das Material der Kühlerrohre werden bestimmte Anforderungen gestellt, um nach einem Einfrieren auch wieder in die ursprüngliche Form zurückzugehen, und dies viele Male ohne bleibende Beschädigung über die gesamte Lebensdauer eines Automobils. Spiralrippen können bei der Ausdehnung auch zu einer Längenänderung der Kühlerrohre führen, was nicht erwünscht wäre. Außerdem wird keine Lehre dazu gegeben, wie die ebenfalls frostgefährdeten Sammelkästen des (Auto-)Kühlers vor einem Frostschaden zu schützen sind. Sie sind herkömmlich eckig ausgebildet. Ein Einfrieren würde hier in jedem Falle zu einer unwiderruflichen Verformung oder gar Zerstörung führen.

All diese Probleme haben dazu geführt, dass es bisher in der Technik nicht zu einer nennenswerten Umsetzung frostsicherer, dauerhaft direkt mit Wasser befüllbarer thermisch und mechanisch auf lange Zeit stabiler Lösungen gekommen ist.

Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, ein Solarabsorbersystem zu schaffen, welches bei Frost und bei Bedarf, insbesondere im Stillstand mit sehr hohen Temperaturen sicher zu betreiben ist und es kompakter, leichter und preiswerter zu gestalten.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Vorteile bestehen gemäß Anspruch 1 insbesondere darin, dass für die Solarenergienutzung auch in geschlossenen Systemen weder ein gesonderter Solarkreislauf, noch Frostschutzmittel oder ein Entleerungssystem mit Luft oder Inertgas erforderlich sind.

Dabei sind eine lange Lebensdauer und niedrige Kosten gewährleistet. Denn durch die gezielte Auslegung zumindest der frostgefährdet angeordneten Wärmeträgerkanäle, freiliegenden äußeren Anschlüsse und Verbindungsleitungen widerstehen sie ohne Ermüdung sowohl extrem hohen Temperaturen als auch einer mehrfachen Verformung durch das Einfrieren eines gegebenenfalls frostgefährdeten Wärmeträgermediums, z. B. Wasser, auch wenn für die Kanäle metallische Werkstoffe verwendet werden sollten. Der direkte Anschluss an ein mit Wasser betriebenes Wärmeverbrauchssystem ohne Zwischenwärmeübertrager wird möglich.

Mit dem Wärmeübertrager entfällt auch die daran auftretende Temperaturdifferenz zwischen dem Solarkreislauf und dem wärmenutzenden Heizsystem, was insbesondere bei freier Konvektion an einem in einen Speicher eingebauten Wärmeübertrager zu beträchtlichen Wirkungsgradeinbußen bei der Solarenergienutzung in herkömmlichen Solarsystemen führen kann.

Das Ausdehnungsgefäß und Sicherheitsventil des Wärmeverbrauchssystems sind bei entsprechender Auslegung und Anordnung gleichzeitig für den Solarkreislauf nutzbar. Wenn das Heizungswasser direkt gespeichert und das Brauchwasser im Durchflussprinzip bereitet wird, sind außerdem keine speziellen Speicherinnenbeschichtungen, wie für Brauchwasserspeicher erforderlich. Insgesamt entsteht so eine beträchtliche Vereinfachung des Solarsystems, eine kürzere Montagezeit und im Ergebnis eine nicht unerhebliche Kostensenkung.

Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 ermöglicht es, z. B. handelsübliche Kapillarrohre zu verwenden. Durch die Ausführung der Wärmeträgerkanäle aus Kupferkapillarrohren mit einem entsprechend großen Verhältnis aus Wanddicke und Durchmesser widerstehen diese einer vielfachen Verformung durch ein Einfrieren des Wärmeträgermediums Wasser, ohne dass es zu einer Ermüdung des Materials innerhalb einer üblichen Lebensdauer von Solarabsorbern von ca. 25 Jahren kommt. Durch die Nutzung von Kapillarrohren wird eine bisher nicht gekannte Kompaktheit des Solarabsorbers, verbunden mit einem äußerst geringen spezifischen Gewicht erreicht. Dadurch wird wiederum die Montage erleichtert. Der sehr geringe Wärmeträgerinhalt bedingt eine niedrige Wärmekapazität des Solarabsorbers, die dazu führt, dass etwa 10mal schneller eine gewünschte Temperatur erreicht wird, als bei herkömmlichen Solarabsorbern, was bei einem in Mitteleuropa verbreiteten häufigen Wechsel von Bewölkung und klarem Himmel zu einer erhöhten Solarausbeute auf einem gewünschten Temperaturniveau führt.

Die Ausgestaltung nach dem Anspruch 3 ermöglicht die Wiederherstellung der – durch ein Einfrieren des Wärmeträgermediums veränderten – ursprünglichen Wandform beim Auftauen des Wärmeträgermediums, ohne vorzeitige Materialermüdung durch eine elastisch federnde Änderung der Querschnittsform. Die durch ein Einfrieren des Wärmeträgermediums auftretende Querschnittszunahme wird kompensiert durch eine federnde Verformung der Wärmeträgerkanäle aus einem beliebigen nichtkreisrunden in Richtung eines kreisrunden Querschnitts. Gleichzeitig wird mehr gestalterische Freiheit bei der Konstruktion des Solarabsorbers z. B. durch eine flachere Ausführung ermöglicht. Der Querschnitt kann beliebig – halbrund, oval, elliptisch oder mehreckig sein. Die Seiten eines Mehrecks können gleich oder ungleich, die Kanten eckig oder abgerundet gestaltet sein.

Mit der Ausgestaltung nach den Ansprüchen 4 oder 5 wird es möglich, die Ausdehnung des Wärmeträgermediums beim Einfrieren zu kompensieren, und zwar durch eine Komprimierung der in den Zwischenräumen oder in den Innenkanälen von Doppelrohren befindlichen speziellen Medien oder Materialien, und/oder durch die Aufteilung der Verformungskraft eines sich ausdehnenden Wärmeträgermediums auf einen Innen- und/oder einen Stützkanal, ohne übermäßige mechanische Belastung des Materials dieser Kanäle.

Die Ausgestaltung nach dem Anspruch 6 gewährleistet die Führung und Fixierung eines Innenkanals im Doppelrohr mit mehr oder weniger großem thermischen Kontakt. Damit wird die Querschnittszunahme des Innenkanals beim Einfrieren verhindert. Gleichzeitig kann mit Kontaktvermittlern die Wärmeleitung zwischen Innen- und Außenkanal begrenzt werden.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 7 ermöglicht es, mit serienmäßigem Wellrohr-, Kompensator- oder Balgmaterial zu arbeiten. Durch die Ausführung insbesondere der Wärmeträgermedium durchflossenen Sammel- und Verbindungsrohre aus Doppelrohren, deren Innen- oder Außenrohr aus z. B. Edelstahlwellrohr mit einem entsprechenden Profil und einer bestimmten Wanddicke besteht, widerstehen diese einer vielfachen Verformung durch ein Einfrieren des Wärmeträgermediums Wasser, ohne dass es zu einer Ermüdung des Materials innerhalb einer üblichen Lebensdauer von Solarabsorbern von ca. 25 Jahren kommt.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 8 ermöglicht die Kompensation der durch ein Einfrieren des Wärmeträgermediums auftretenden Volumenzunahme allein durch Querschnittszunahme ohne oder bei geringer radialer und/oder linearer Dehnung des Materials.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 9 ist mit dem preiswertesten Wärmeträgermedium, nämlich Wasser der Solarabsorber direkt an ein im allgemeinen ebenfalls mit Wasser als Wärmeträgermedium betriebenes offenes oder geschlossenes Wärmenutzungssystem anschließbar.

Die Ausgestaltung gemäß Anspruch 10 ermöglicht es, die Vorteile der Merkmale der Ansprüche 8 und 9 zu verbinden und unter Nutzung des preiswertesten Wärmeträgermediums Wasser die Kanäle so zu konfigurieren, dass die beim Einfrieren auftretende Volumenzunahme allein durch Querschnittszunahme ohne oder bei geringer radialer und/oder linearer Dehnung des Materials kompensiert werden kann.

Bei der Nutzung der Merkmale des Anspruches 11 können die Oberflächen der Wärmeträgerkanäle, Anschlüsse und/oder Verbindungsleitungen gleichzeitig als Absorber genutzt werden. Ein zusätzlicher Arbeitsgang der Verbindung von Absorber und Wärmeträgerkanälen, zum Beispiel durch Löten oder Schweißen entfällt, ebenso der damit verbundene Wärmeübergangswiderstand vom Absorber zum mit Wärmeträgermedium gekühlten Wärmeträgerkanal. Anschlüsse und/oder Verbindungsleitungen werden so ebenfalls zur Solarenergienutzung herangezogen, z. B. zum Auftauen eines frostgefährdeten Wärmeträgermediums.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 12 wird es leichter möglich, den Solarabsorber fortlaufend zu produzieren.

Die Ausgestaltung 13 erlaubt, unter Nutzung z. B. handelsüblicher transparenter Kunststoffmehrkammerplatten, aus Absorberstreifen einen kostengünstigen Solarabsorber herzustellen. Die Benutzung einer Mehrkammerplatte bewirkt eine sehr gute Wärmedämmung des Solarabsorbers nach oben und erlaubt eine kompakte Wärmedämmung nach unten. Durch die Auswahl der Anordnung des Solarabsorbers in einer der Ebenen der Kunststoffmehrkammerplatte besteht die Möglichkeit der Optimierung des Solarabsorbers hinsichtlich des Verhältnisses aus der Solartransmission durch die oberhalb des Solarabsorbers befindlichen Ebenen und dem Gesamtwärmeverlust des Solarabsorbers nach oben und unten. Durch die geringe Breite eines jedem Wärmeträgerkanal zugeordneten Absorberstreifens wird durch die absorbierte Solarwärme per Wärmeleitung ein geringer Weg zurückgelegt. Die Absorberstreifen können deshalb aus dünnem Material ausgeführt werden. Trotzdem besteht eine geringe Übertemperatur zum Wärmeträgermedium.

Nach der Ausgestaltung gemäß Anspruch 14 werden die Kanäle der Kammerplatte gleichzeitig als Wärmespeicher und/oder zur verbesserten thermischen Isolierung nutzbar, so dass ein mit dem erfindungsgemäßen Solarabsorber ausgestattetes Solarsystem noch weiter vereinfacht werden kann.

Die Ausgestaltung gemäß Anspruch 15 schützt die Wände der Kammerplatte auch im Stillstand vor überhöhten Temperaturen der Absorberstreifen und/oder der Wärmeträgerkanäle und verringert gleichzeitig die Verluste der bereits absorbierten solaren Wärmeenergie.

Unter Nutzung der Ausgestaltung 16 wird der Rahmen eines Solarabsorbers äußerst preiswert herstellbar, ist stabil und dicht.

Durch eine äußere, gegebenenfalls gezielt differenziert ausgeführte Isolierung in Ausgestaltung nach Anspruch 17 oder natürliche und/oder künstliche Heiz- oder Kühlelemente in Ausgestaltung nach Anspruch 18 kann der Einfluss der Außentemperatur auf ein frostgefährdetes Wärmeträgermedium zeitlich gesteuert verzögert oder beschleunigt, verringert oder erhöht werden, so dass die Wärmeträgerkanäle, äußeren Anschlüsse und Verbindungsrohre der Reihenfolge nach von der Mitte des Kollektors nach außen einfrieren und/oder gegebenenfalls umgekehrt wieder auftauen und so ein Abfluss des sich beim Einfrieren eventuell ausdehnenden Wärmeträgermediums aus dem Solarabsorber in das nicht frostgefährdete restliche Solarsystem erfolgen kann, und nur die Ausdehnung des im Solarabsorber und den Verbindungsleitungen verbleibenden Restvolumens an Wärmeträgermedium von den Kanalwänden kompensiert werden muss, und beim Auftauen ein Rückfluss des Wärmeträgermediums in den Solarabsorber gewährleistet ist, ohne dass es im Inneren zu einem Vakuum oder Überdruck kommt.

Bei einem Einfrieren und Auftauen kann der Volumenausgleich des flüssigen Wärmeträgermediums mit dem übrigen Solarsystem und/oder Ausdehnungsgefäßen durch zusätzliche Anschlüsse in Ausgestaltung nach Anspruch 19 unterstützt werden. Dessen ungeachtet lässt die Erfindung es selbstverständlich zu, dass in entsprechenden Bedarfsfällen auch ein nicht frostgefährdetes Wärmeträgermedium und/oder ein Zwischenwärmeübertrager eingesetzt werden können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Die 1 zeigt einen Solarabsorber aus Streifenabsorbern 5, eingefügt in eine 4-Kammerplatte 4 aus transparentem Kunststoff. Die Wärmeträgerkanäle 1 in Form von Absorberrohren sind aus Kapillarrohren gebildet, bestehend z. B. aus Kupfer. Die Wärmeträgerkanäle 2 in Form von Sammelrohren sind aus Wellrohr ausgeführt, z. B. aus Edelstahl und besitzen an ihren Enden jeweils äußere Anschlüsse 3 für die Verbindungsleitungen zum übrigen Solarsystem. Der Solarabsorber ist eingefügt in die Kammern der dritten Ebene einer 4-Kammerplatte 4, die z. B. aus transparentem Polycarbonat besteht, welche den Wärmeverluststrom des Solarabsorbers nach oben und unten reduziert und gleichzeitig als wetterfeste Deckplatte des Solarabsorbers dient. Dafür besteht der Solarabsorber aus Streifen 5, die in ihrer Breite an die Kammerbreite der 4-Kammerplatte 4 angepasst sind. Die Wärmeträgerkanäle 1 sind mit den Absorberstreifen 5 und mit den Wärmeträgerkanälen 2 z. B. durch Löten verbunden. Die Wärmedämmung des Solarabsorbers nach unten besteht neben der z. B. mit Luft gefüllten 4-ten Ebene der 4-Kammerplatte 4 aus einer beidseitig mit Aluminium kaschierten Polystyrolplatte 6. Die 4-Kammerplatte 4 mit den darin befindlichen Absorberstreifen 5, die an ihren Enden befestigten Wärmeträgerkanäle 2 und die darunter angeordnete Polystyrolisolierplatte 6 sind von einem leichten Profilrahmen 7 z. B. aus Aluminium mit aufgesetzten Ecken 8 z. B. aus Edelstahl eingefasst. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Rahmen aus schrumpffähiger Kunststofffolie auszuführen, z. B. in durchscheinender Ausführung, die kraftschlüssig und dicht die genannten Bauteile umgibt.
Der Solarabsorber arbeitet folgendermaßen:
Das Wärmeträgermedium Wasser wird über einen der Wärmeträgerkanäle 2, z. B. den unteren, dem Solarabsorber zugeführt, durchströmt die Wärmeträgerkanäle 1 und sammelt sich erneut im gegenüberliegenden – oberen nicht näher dargestellten Wärmeträgerkanal. Zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Durchströmung aller Wärmeträgerkanäle 1 sind die Verbindungsleitungen jeweils an den diagonal gegenüberliegenden Anschlüssen 3 der beiden Wärmeträgerkanäle 2 des Solarabsorbers angeschlossen. Bei Sonneneinstrahlung gelangen die Sonnenstrahlen durch die oberen 2 Kammern der 4-Kammerplatte 4 bis zu den Absorberstreifen 5, werden dort durch die spezielle selektive Ausführung der Oberfläche zu einem großen Teil absorbiert und in Wärme umgewandelt. Die wärme gelangt durch die Wärmeleitung des Materials der Absorberstreifen 5, die z. B. aus Kupfer bestehen, und durch die Lötverbindung zu den unter den Absorberstreifen 5 angeordneten Wärmeträgerkanälen 1, welche vom Wärmeträgermedium Wasser ständig gekühlt werden. Damit sich das wärmeträgermedium bis zum Verlassen des Solarabsorbers auch bei unterschiedlicher Strahlungsintensität auf eine gewünschte gleichmäßige Temperatur erwärmt, wird seine Durchsatzmenge geregelt, z. B. über die Drehzahl der Umwälzpumpe. Das erwärmte Wasser gelangt über das mit dem entsprechenden oberen äusseren Anschluss 3 verbundene nicht näher dargestellte Verbindungsrohr im geschlossenen System direkt in einen Heizwasserspeicher, von wo es zur Bereitung des Brauchwassers, z. B. im Durchflussprinzip oder für die Gebäudeheizung entnommen wird. Bei fehlender Einstrahlung im Winter wird das Wasser nicht durch den Solarabsorber umgewälzt. Vielmehr gefriert es durch die unterschiedlichen Durchmesser und eine differenzierte Isolierung der Reihenfolge nach in den frostgefährdet angeordneten Wärmeträgerkanälen 1, anschließend in den gering isolierten Wärmeträgerkanälen 2 größeren Durchmessers, den isolierten äusseren Anschlüssen 3 und zuletzt in den besonders gut isolierten Verbindungsleitungen zwischen dem Solarabsorber und dem frostfreien übrigen Solarsystem.
Beim Wiedereinsetzen der Sonnenstrahlung bzw. bei positiven Außentemperaturen tauen die Wärmeträgerkanäle 1, die Wärmeträgerkanäle 2, die äusseren Anschlüsse 3 und die Verbindungsleitungen, letztere verzögert, auf, und die Zirkulation des Wärmeträgermediums Wasser kann wieder aufgenommen werden.
Anstelle der Ausführung der Kammerplatte aus Kunststoff ist auch Glas als Material denkbar, z. B. ähnlich einer Mehrfachverglasung von Scheiben, innen evakuiert oder mit Edelgas gefüllt.
Ebenso wie an Flachabsorbern ist es natürlich auch möglich, die Erfindung an Röhrenabsorbern einzusetzen.
Die 2 zeigt den Querschnitt eines Absorberstreifens 5 mit einem darunter angeordneten, im Verhältnis zum Durchmesser dickwandigen Kapillarrohr als Wärmeträgerkanal 1.
Die 3 zeigt den Querschnitt eines Absorberstreifens 5 mit einem darüber angeordneten Wärmeträgerkanal 1, die 4 den Querschnitt eines konkaven Absorberstreifens 5 mit darüber angeordnetem Wärmeträgerkanal 1, die 5 den Querschnitt eines Wärmeträgerkanals 1 in Form eines kreissegmentförmigen nach unten ebenen Rohrs, die 6 den Querschnitt eines Wärmeträgerkanals 1 in Form eines kreissegmentförmigen nach oben ebenen Rohrs, die 7 den Querschnitt eines Wärmeträgerkanals 1 in Form eines flachelliptischen Rohrs, die 8 eines zweieckigen leicht rhombischen Rohrs, z. B. aus Metallen mit unterschiedlichen Querausdehnungskoeffizienten, die 9 den Querschnitt eines Wärmeträgerkanals 1 in Form eines flachovalen Rohrs, die 10 eines rechteckigen Rohrs, die 11 eines dreieckigen Rohrs, die 12 eines abzweigförmigen Rohrs, die 13 eines gleichseitig kreuzförmigen Rohrs, welches z. B. auch aus unterschiedlich langen, geraden oder nach innen oder aussen gewölbten Seiten ausgeführt sein kann, die 14 eines plankonkaven Rohrs, die 15 eines bikonkaven Rohrs, die 16 eines nach oben konvex/konkav gewölbten Rohrs, die 17 eines elliptisch/runden Doppelrohrs, die 18 eines runden Doppelrohrs mit innerem komprimierbarem/dehnbarem Rohr, die 19 eines runden Doppelrohrs mit innerem am äusseren Stützrohr dicht anliegendem Wellrohr, die 20 einen Ausschnitt einer Kammerplatte 4 mit einem Absorberstreifen 5 mit darunter angeordnetem Wärmeträgerkanal 1, wobei der Zwischenraum des Wärmeträgerkanals 1 der Kammerplatte 4 mit einem Wärmespeichermedium gefüllt ist, die 21 einen Ausschnitt einer Kammerplatte 4 mit einem Wärmeträgerkanal 1 in Form eines abzweigförmigen Rohrs, wobei die darunter liegende Ebene der Kammerplatte 4 mit einem Wärmespeichermedium gefüllt ist, und die 22 einen Ausschnitt einer Kammerplatte 4 mit einem Wärmeträgerkanal 1 in Form eines konvex/konkav gewölbten Rohrs, wobei der Zwischenraum des Wärmeträgerkanals 1 der Kammerplatte 4 mit einem Wärmespeichermedium gefüllt ist als nur einige weitere Ausführungsmöglichkeiten frostsicherer Wärmeträgerkanäle 1 oder 2.

1: Wärmeträgerkanäle
2: Wärmeträgerkanäle
3: äussere Anschlüsse
4: Kammerplatte aus Polycarbonat
5: Absorberstreifen aus Kupfer, selektiv beschichtet
6: mit Aluminium beidseitig kaschierte Polystyrolisolierplatte
7: Aluminiumprofilrahmen
8: aufgesetzte Edelstahlecken.

Claims

Solarabsorber zur Nutzung von Solarenergie, bestehend aus einem Absorber (5) und den die mit dem Absorber (5) aufgenommene Solarenergie abführenden umfangsseitig geschlossenen Wärmeträgerkanälen (1, 2), äußeren Anschlüssen (3) und Verbindungsleitungen zum übrigen Solarsystem, dadurch gekennzeichnet, dass alle im System frostgefährdeten Elemente, wie die Wärmeträgerkanäle (1, 2), die äußeren Anschlüsse (3) und die Verbindungsleitungen mit einem kreisrunden Querschnitt eine elastisch dehn- oder stauchbare Wand, oder dass die Wärmeträgerkanäle (1, 2), die äußeren Anschlüsse (3) und die Verbindungsleitungen mit einem nicht kreisrunden Querschnitt eine zumindest zum Teil elastisch federnde Wand aufweisen, die aus einem thermisch und mechanisch ausreichend beständigen Material bestehen.
Solarabsorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit kreisrundem Querschnitt ausgebildeten Wärmeträgerkanäle (1, 2) und/oder äußeren Anschlüsse (3) und/oder Verbindungsleitungen ein großes Wanddicke-Innendurchmesser-Verhältnis aufweisen.
Solarabsorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgerkanäle (1, 2) und/oder äußeren Anschlüsse (3) und/oder Verbindungsleitungen einen kreissegmentförmigen nach unten ebenen, einen kreissegmentförmigen nach oben ebenen, einen flachelliptischen, einen zweieckigen leicht rhombischen, einen flachovalen, einen dreieckigen, einen abzweigförmigen, einen plankonkaven, einen bikonkaven, einen oben konkav/konvex gewölbten, einen elliptisch/runden doppelrohrigen, einen doppelrohrigen, mit innerem komprimierbarem/dehnbarem Rohr versehenen, einen doppelrohrigen mit innerem, an einem äußeren Stützrohr dicht anliegendem wellrohrförmigen oder einen ähnlichen nichtkreisrunden Querschnitt aufweisen.
Solarabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgerkanäle (1, 2) und/oder äußeren Anschlüsse (3) und/oder Verbindungsleitungen als Doppelrohre ausgebildet sind, bei welchen die den Wärmeträger führenden Innenkanäle in äußere Stützkanäle eingezogen sind, und die Zwischenräume entweder mit einem frostsicheren Medium, das unter einem beliebigen oder gesteuerten Druck steht, gefüllt sind oder durchströmt werden, oder aus komprimierbarem Voll- oder Hohlmaterial bestehen, oder nur drucklos sind, mit der Atmosphäre kommunizieren oder verschlossen sind.
Solarabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass die Wärmeträgerkanäle (1, 2) und/oder die äußeren Anschlüsse (3) und/oder die Verbindungsleitungen als Doppelrohre ausgebildet sind, deren Innenkanäle in äußere Stützkanäle eingezogen sind und mit diesen einen Wärmeträger führenden Zwischenraum bilden, wobei die Innenkanäle entweder mit einem frostsicheren Medium unter einem beliebigen oder gesteuerten Druck gefüllt sind oder durchströmt werden, oder aus komprimierbarem Voll- oder Hohlmaterial bestehen, oder nur drucklos sind, mit der Atmosphäre kommunizieren oder verschlossen sind.
Solarabsorber nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den äußeren Stützkanälen und den Innenkanälen ständig oder nur in bestimmten Betriebszuständen direkt oder über spezielle Kontaktvermittler ein mechanischer Kontakt besteht.
Solarabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgerkanäle (1, 2) und/oder äußeren Anschlüsse (3) und/oder Verbindungsleitungen aus wellenartig geformten Wandungen bestehen, die durchgehend längs, diagonal-schraubenförmig, kreuzförmig und/oder ringförmig gewellt sind.
Solarabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgerkanäle (1, 2) und/oder äußeren Anschlüsse (3) und/oder Verbindungsleitungen einen beliebigen nichtkreisrunden Querschnitt aufweisen und ein Umfangsquadrat/Querschnittsverhältnis von mindestens dem vierfachen des Wertes π, vergrößert um das Verhältnis des spezifischen Volumens bei bereits festem und gerade noch flüssigem Wärmeträger (u²/A ≥ 4·π·v_fe/v_fl) haben.
Solarabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträger Wasser ist.
Solarabsorber nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgerkanäle (1, 2) und/oder äußeren Anschlüsse (3) und/oder Verbindungsleitungen beliebigen nichtkreisrunden Querschnitts ein Umfangsquadrat/Querschnittsverhältnis von mindestens u²/A ≥ 13,7 aufweisen.
Solarabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Umfangsseite der Wärmeträgerkanäle (1, 2) und/oder äußeren Anschlüsse (3) und/oder Verbindungsleitungen gleichzeitig als Absorber dient und ausgeführt ist.
Solarabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass er in Streifen (5) ausgeführt ist, denen jeweils mindestens ein Wärmeträgerkanal (1) zugeordnet ist.
Solarabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarabsorber in einer der Ebenen von transparenten Kammerplatten (4) angeordnet ist.
Solarabsorber nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle der Kammerplatte (4) um den Solarabsorber herum und/oder in den Ebenen darunter und/oder darüber mit einem transparenten oder die Sonnenstrahlung absorbierenden festen, flüssigen, gasförmigen bzw. dampfförmigen und/oder die Phasen wechselnden Wärmespeichermedium und/oder Wärmeisoliermedium gefüllt sind/oder dass in ihnen ein Vakuum herrscht.
Solarabsorber nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarabsorber und/oder die Wärmeträgerkanäle (1, 2) gegenüber den Wänden der Kammerplatte (4) thermisch isoliert sind.
Solarabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Rahmen aus schrumpffähigem Kunststoff aufweist.
Solarabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgerkanäle (1, 2) und/oder äußeren Anschlüsse (3) und/oder Verbindungsleitungen mit einer Isolierung versehen sind.
Solarabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Inneren oder außerhalb der Wärmeträgerkanäle (1, 2) und/oder äußeren Anschlüsse (3) und/oder Verbindungsleitungen zum Teil bzw. vollständig mit einer natürlichen oder künstlichen Wärmequelle oder Wärmesenke verbundene Heiz- bzw. Kühlelemente befinden.
Solarabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgerkanäle (1, 2) und/oder äußeren Anschlüsse (3) und/oder Verbindungsleitungen ständig oder nur in bestimmten Betriebszuständen, automatisch mit oder ohne Hilfsenergie oder durch Handeingriff mit zusätzlichen Verbindungsleitungen an innere oder äußere Ausdehnungsräume angeschlossen sind.