DE10057504A1

DE10057504A1 - Verfahren zur Erhöhung der Effizienz eines thermischen Sonnenkollektors

Info

Publication number: DE10057504A1
Application number: DE10057504A
Authority: DE
Inventors: Roland Soelch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-11-20
Filing date: 2000-11-20
Publication date: 2002-05-23

Abstract

Gattung: DOLLAR A Flächiger geschlossener Sonnenkollektor, dessen Innendruck dem atmosphärischen Druck entspricht. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung: DOLLAR A Minderung von Wärmeverlusten auf der lichtdurchlässigen Seite des Sonnenkollektors. DOLLAR A Erfindungsgemäße Lösung des Problems: DOLLAR A Einsatz eines Thermoreflektors (105), der die von einem Primärabsorber (40) ausgehende Wärmestrahlung daran hindert, aus dem Kollektor auszutreten. Dies geschieht mittels eines dem Primärabsorber (40) flächendeckend vorgeschalteten lichtdurchlässigen Thermoreflektor (105), der die vom Primärabsorber (40) ausgehende Wärmestrahlung auf denselben zurückwirft. Der Thermoreflektor (105) besteht beispielsweise aus einer lichtdurchlässigen und temperaturbeständigen Kunststoff-Folie, die eine aufgedampfte metallische Beschichtung aufweist. DOLLAR A Der relativ geringe Anteil des Lichts, das den Thermoreflektor (105) nicht durchdringt, wird von demselben absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt, die von einem strömenden gasförmigen Wärmeträger (61) aufgenommen und zur Nutzung abgeleitet wird. DOLLAR A Anwendung: DOLLAR A Für einen Sonnenkollektor, bei dem die Wärmeenergie mittels eines flüssigen Wärmeträgers aus dem Kollektor herausgeführt wird. Darüber hinaus auch für einen reinen Luftkollektor.

Description

Der Oberbegriff des Anspruchs 1 bezeichnet die Gattung von Sonnen kollektoren, worauf sich die Erfindung bezieht.

Bei einem Sonnenkollektor treten Wärmeverluste über die Gehäusewand auf. Im Hinblick auf die von der Sonne beschienene Seite eines Kollektors ist es bekannt, die lichtdurchlässige Abdeckung doppelwandig auszu führen.

Auch ist es bekannt, die lichtdurchlässige Seite eines Sonnenkollektors mit einer transparenten Wärmedämmung zu versehen, bei der eine waben förmige Einlage zur Anwendung kommt.

Der Erfindung ist die Aufgabe gestellt, die Wärmeisolation bei einem Sonnenkollektor, dessen Innendruck dem atmosphärischen Druck entspricht, auf der Seite der lichtdurchlässigen Abdeckung weiter zu verbessern.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, der gestellten Aufgabe gemäß des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 zu entsprechen.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind mit den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß kann bei dem als Thermoreflektor wirksamen Bauteil vorteilhaft beispielsweise eine lichtdurchlässige, temperaturbeständige Kunststoff-Folie oder Glas verwendet werden. Hierbei kommt als aufgedampftes Material, das als Reflexionsschicht für Langwellen, d. h. für Wärmestrahlung, wirksam ist, ein Metall, als eine Komponente beispielsweise Kupfer, zur Anwendung.

Bei dem erfindungsgemäßen Zusammenwirken eines Primärabsorbers und eines Thermoreflektors treten verschiedene, physikalische Effekte auf, wie zum Beispiel:

a) Reflexion der vom Primärabsorber ausgehenden Wärmestrahlung durch den Thermoreflektor zurück auf den Primärabsorber.
b) Absorption der durch den Thermoreflektor reflektierten Wärmestrahlung durch den Primärabsorber.
c) Absorption von Licht, das die aufgedampfte Beschichtung des Thermoreflektors nicht durchdringt; es handelt sich hierbei beispielsweise um 10 bis 20% der Sonnenstrahlung. Dieser Anteil des Lichts wird vom Thermoreflektor weitgehend absorbiert; dieser könnte daher auch als Sekundärabsorber bezeichnet werden und in Wärmeenergie umgewandelt, die erfindungsgemäß von einem gasförmigen Wärmeträger aufgenommen und zur Nutzung weitergeleitet wird usw.

Die Lichtmenge, die den Thermoreflektor durchdringt, trifft auf den Primärabsorber, die dieser seinerseits in Wärmeenergie umwandelt. Mit der vorstehenden Beschreibung ist im Sinne der Erfindung eine Definition des Begriffs "Thermoreflektor" gegeben. Sie findet an Hand der folgenden Ausführungen weitere Vertiefung.

Aufgrund dieser Wirkungsweise darf bei einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gestalteten Sonnenkollektor eine nicht unerhebliche Verbesserung der spezifischen Leistung erwartet werden.

Die Erfindung ist auch dann erfüllt, wenn die Sonnenstrahlung zu 100% den Thermoreflektor durchdringt und dieser lediglich die Wärmestrahlung seitens des Primärabsorbers intensiv reflektiert. Dieser gewiss rein theoretische Zustand sei erwähnt, um den Erfindungsgedanken zu unter streichen.

Die Minderung von Wärmeverlusten aus einem Raum durch Aufdampfung einer hauchdünnen, metallischen Beschichtung auf Glas ist an sich von Fenstern her bekannt.

Gemäß der Erfindung wird dieser Effekt vorteilhaft zur Steigerung des thermischen Wirkungsgrades eines Sonnenkollektors genutzt, mittels der erfindungsgemäßen Wechselwirkung zwischen einem Primärabsorber und einem Thermoreflektor unter Beteiligung eines strömenden, gasförmigen Wärmeträgers.

An Hand der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.

In der Zeichung sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Fig. 1 bis 3 betreffen das eine Ausführungsbeispiel, Fig. 4 bis 6 das andere.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt gemäß Schnittlinie 1-1 in Fig. 2,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß Schnittlinie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt gemäß Schnittlinie 5-5 in Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt gemäß Schnittlinie 4-4 in Fig. 5,

Fig. 5 einen Schnitt gemäß Schnittlinie 5-5 in Fig. 4,

Fig. 6 einen Schnitt gemäß Schnittlinie 6-6 in Fig. 4.

Fig. 1 bis 3 betrifft eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Wärmeenergie mittels eines flüssigen Wärmeträgers aus dem Kollektor herausgeführt wird. Hierbei handelt es sich um eine Weiterentwicklung eines Sonnenkollektors gemäß Patent . . . (Patentanmeldung DE 100 44 852.6) des Erfinders.

In Fig. 1 bis 3 bedeuten: 5 Kollektorgehäuse
10 äußere lichtdurchlässige Abdeckung
15 innere lichtdurchlässige Abdeckung
20 ruhendes Luftpolster zwischen äußerer und innerer, lichtdurchlässiger Abdeckung 10, 15
25 Länge der lichtdurchlässigen Abdeckung 10, 15; sie entspricht der Länge des Primärabsorbers 40 und des Thermoreflektors 105
30 Breite der lichtdurchlässigen Abdeckung 10, 15; sie entspricht der Breite des Primärabsorbers 40, des Thermoreflektors 105 und der Strömungskanäle 75, 85
35 Gehäuseisolation
40 Primärabsorber
45 Isolation des Primärabsorbers 40 auf der der lichtdurchlässigen Abdeckung 10, 15 abgewandten Seite
50 Sonnenstrahl
55 Wärmeträgerrohr für einen flüssigen Wärmeträger. Das Wärmeträger- Rohr 55 steht in Wärmeleitkontakt mit dem Primärabsorber 40. Der flüssige Wärmeträger wird durch den Primärabsorber 40 direkt erhitzt.
60 Pfeil, Eintritt des flüssigen Wärmeträgers 61 in das Wärmeträgerrohr 55, siehe Fig. 1
61 flüssiger Wärmeträger
65 Pfeil, Austritt des flüssigen Wärmeträgers 61 aus dem Wärmeträger- Rohr 55, siehe Fig. 1
69 Wärmetauscher; er besteht aus einem Stück des Wärmeträgerrohres 55 am Eingang des flüssigen Wärmeträgers 61 in den Kollektor
70 Wärmeaustauschrippen des Wärmetauschers 69
74 Strömungskreis für einen gasförmigen Wärmeträger 76
75 Strömungskanal für den gasförmigen Wärmeträger 76 zwischen dem Primärabsorber 40 und der inneren, lichtdurchlässigen Abdeckung 15 mit nach oben gerichteter Strömung des gasförmigen Wärmeträgers 76. Der Strömungskanal 75 ist durch den Thermoreflektor 105 in einen vorderen Bereich 75' und einen hinteren Bereich 75" unterteilt.
76 gasförmiger, strömender Wärmeträger
80 Pfeil, Strömungsrichtung des gasförmigen Wärmeträgers 76 im Strömungskanal 75
85 Strömungskanal auf der Rückseite des Primärabsorbers 40 zwischen der Isolation 45 des Primärabsorbers 40 und der Gehäuseisolation 45
90 Pfeil, Strömungsrichtung des gasförmigen Wärmeträgers 76 im Strömungskanal 85
95 oberer Umkehrbereich des Strömungskreises 74
100 unterer Umkehrbereich des Strömungskreises 74
105 Thermoreflektor. Dieser besteht aus einer lichtdurchlässigen, temperaturbeständigen Kunststoff-Folie, die mit einer aufgedampften, geeigneten, metallischen Beschichtung versehen ist.

Der gasförmige Wärmeträger 76 unterliegt in dem Strömungskanal 75, 75', 75" durch den Primärabsorber 40 und dem Thermoreflektor 105 einer Erwärmung. Durch Konvektion steigt der gasförmige Wärmeträger 76 in dem Strömungskanal 75 in Richtung der Pfeile 80 nach oben.

Mittels des Wärmetauschers 69 wird der gasförmige Wärmeträger 76 gekühlt, wodurch gemäß einer 1. Phase der in den Kollektor eintretende, flüssige Wärmeträger 61 vorgewärmt wird.

Vorteilhaft weist die Eintrittstemperatur des flüssigen Wärmeträgers 61 relativ niedrige Werte auf.

Nach erfolgter Kühlung strömt der gasförmige Wärmeträger 76 in dem rückwärtigen Kanal 85 nach unten.

Dem Strömungskreis 74 folgend gelangt der gasförmige Wärmeträger 76 im unteren Umkehrbereich 100 im gekühlten Zustand in den Strömungskanal 75.

Die Wechselwirkung zwischen dem Primärabsorber 40 und dem Thermo reflektor 105 erfolgt im hinteren Bereich 75" des Strömungskanals 75. In diesem Zwischenraum erfolgt eine Reflexion der vom Primärabsorber 40 ausgehenden Wärmestrahlung durch den Thermoreflektor 105 zurück auf den Primärabsorber 40, die dieser zusätzlich zur Sonnenstrahlung absorbiert und in Form von Wärmeenergie wiedergibt.

Wärmeverluste des Sonnenkollektors auf der lichtdurchlässigen Seite der Abdeckung 10, 15, 20 werden auf diese Weise herabgesetzt.

Fig. 4 bis 6 veranschaulicht einen Sonnenkollektor, bei dem mittels eines gasförmigen Wärmeträgers die gewonnene Wärmeenergie aus dem Kollektor herausgeführt wird.

In Fig. 4 bis 6 bedeuten: 120 Kollektorgehäuse
125 äußere lichtdurchlässige Abdeckung
130 innere lichtdurchlässige Abdeckung
132 ruhendes Luftpolster zwischen äußerer und innerer, lichtdurchlässiger Abdeckung 125, 130
133 Gehäuseisolation
135 Primärabsorber
140 Thermoreflektor, bestehend aus einer lichtdurchlässigen, temperatur beständigen Kunsstoff-Folie, die eine geeignete, metallische Beschichtung aufweist
145 Strömungskanal für den gasförmigen Wärmeträger 146. Der Strömungs kanal 145 ist durch den Primärabsorber 135 und den Thermoreflektor 140 in drei Bereiche unterteilt.
145' rechter Bereich des Strömungskanals 145 zwischen Thermoreflektor 140 und innerer lichtdurchlässiger Abdeckung 130
145" mittlerer Bereich des Strömungskanals 145 zwischen Primärabsorber 135 und Thermoreflektor 140
146 gasförmiger, strömender Wärmeträger
150 Pfeil, Strömungsrichtung des gasförmigen Wärmeträgers 146 im Kollektor
155 Sonnenstrahl
160 Eintrittskanal für den gasförmigen Wärmeträger 146 in den Kollektor
165 Austrittskanal für den gasförmigen Wärmeträger 146 aus dem Kollektor
170 Länge der äußeren und inneren, lichtdurchlässigen Abdeckung 125, 130, sowie des Primärabsorbers 135 und des Thermoreflektors 140
175 Breite der äußeren und inneren, lichtdurchlässigen Abdeckung 125, 130, des Primärabsorbers 135, des Thermoreflektors 140 sowie des Strömungskanals 145
180 Tiefe des Strömungskanals 145.

Im Betrieb durchströmt der gasförmige Wärmeträger 146 den Strömungs kanal 145 in Richtung des Pfeils 150. Er umströmt hierbei den Primärab sorber 135 und den Thermoreflektor 140 auf deren Vorder- und Rückseite. Der gasförmige Wärmeträger 146 nimmt hierbei Wärmeenergie vom Primärab sorber 135 und vom Thermoreflektor 140 auf und leitet sie über den Austrittskanal 165 ab.

Die Wechselwirkung zwischen Primärabsorber 135 und Thermoreflektor 140 findet im mittleren Bereich 145" des Strömungskanals 145 statt.

In diesem Bereich reflektiert der Thermoreflektor 140 die vom Primärab sorber 135 ausgehende Wärmestrahlung zurück auf denselben, die dieser seinerseits absorbiert.

Im folgenden ist auf den Anspruch 9 Bezug genommen.

Bei einer Ausgestaltung eines Sonnenkollektors gemäß des Anspruchs 9 ist die innere, lichtdurchlässige Abdeckung, wie 15, 130 als Thermo reflektor wirksam, indem die innere Abdeckung mit einer aufgedampften, metallischen Beschichtung versehen ist.

Bei einer Ausgestaltung gemäß des Anspruchs 9 entfällt das Teil 105, 140, das sich in Fig. 2/3 und 5/6 im Schnitt ersichtlich darstellt.

An deren Stelle tritt sodann das Teil, wie 15, 130.

Die verschieden große Wärmeübergangszahl beidseits der Wand der inneren lichtdurchlässigen Abdeckung, wie 15, 130, infolge von Strömungsvorgängen auf der einen Seite der Wand, kommt bei der Variante gemäß des Anspruchs 9 vorteilhaft zur Geltung. Vorteilhaft kann dieser Effekt durch Maßnahmen erhöht werden, die eine turbulente Strömung im Strömungskanal, wie 75, 145 bewirken.

Claims

1. Verfahren zur Erhöhung der Effizienz eines thermischen Sonnenkollektors in flächiger, geschlossener Ausführung, dessen innerer Druck dem atmosphärischen Druck entspricht, auf dessen von der Sonne beschienenen Seite eine lichtdurchlässige Abdeckung vorgesehen ist, durch die hindurch das Sonnenlicht auf einen im Abstand hierzu angeordneten, flächigen Absorber trifft, der das Sonnenlicht in Wärmeenergie umwandelt, die mittels eines Wärmeträgerfluids aus dem Kollektor herausgeführt wird, gekennzeichnet durch eine Minderung von Wärmeverlusten auf der von der Sonne beschienenen Seite eines Sonnenkollektors durch die Wechselwirkung zwischen einem Primärabsorber (40, 135) und einem Thermoreflektor (105, 140), indem der Thermoreflektor dem Primärabsorber in Richtung der Sonnenstrahlung gesehen flächendeckend vorgeschaltet wird, wobei der Primärabsorber (40, 135) aus einem lichtundurchlässigen Material besteht, das zur Absorption des Sonnenlichts in bewährter Weise selektiv beschichtet ist und der Thermoreflektor (105, 140) aus einer lichtdurchlässigen Materialbahn besteht, die die Eigenschaft besitzt, Wärmestrahlung intensiv zu reflektieren, zwecks Reflexion der vom Primärabsorber (40, 135) ausgehenden Wärmestrahlung zurück auf denselben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Primärabsorber (40, 135) und Thermoreflektor (105, 140) erzeugte Wärmeenergie auf ein spezielles Wärmeträgerfluid konzentriert wird und von diesem aus dem Kollektor herausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wärmeaufnahme der vom Primärabsorber (40) und Thermoreflektor (105) erzeugten Wärmeenergie innerhalb des Kollektors zweierlei Wärmeträgerfluida (61, 76) beteiligt sind.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Einsatz von zweierlei Wärmeträgerfluida (61, 76) innerhalb des Sonnenkollektors für den Transport der vom Primärabsorber (40) und Thermoreflektor (105) erzeugten Wärmeenergie, der eine Wärmeträger (61) eine flüssige Konsistenz aufweist und der andere Wärmeträger (76) gasförmige Konsistenz aufweist, wobei der flüssige Wärmeträger (61) die vom Primärabsorber (40) erzeugte Wärmeenergie aufnimmt und weiterleitet und der gasförmige Wärmeträger (76) Wärmeenergie sowohl vom Primärabsorber (40) als auch vom Thermoreflektor (105) aufnimmt und weiterleitet.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Prinzip einer Minderung von Wärmeverlusten durch die Wechselwirkung zwischen einem Primärab sorber (40, 135) und einem Thermoreflektor (105, 140) bei einem Sonnen kollektor gemäß Patent . . . (Patentanmeldung DE 100 44 852.6) verwirklicht wird, bei dem ein flüssiger Wärmeträger (61) auf seinem Weg durch den Kollektor in zwei Phasen Wärmeenergie aufnimmt, wobei in der einen Phase Wärmeenergie vom Absorber (40) auf den flüssigen Wärmeträger (61) übertragen wird und in der anderen Phase ein gasförmiger Wärmeträger (76), der innerhalb des Kollektors durch Schwerkraftwirkung in einem Kreislauf strömt, über einen Wärmetauscher (69) den flüssigen Wärmeträger (61) vorwärmt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Transport der vom Primärabsorber (135) und Thermoreflektor (140) erzeugten Wärmeenergie innerhalb des Kollektors nur ein einziger Wärmeträger (146) bewirkt, wobei dieser Wärmeträger gasförmige Konsistenz aufweist.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermoreflektor (105, 140) zwischen einer lichtdurchlässigen Abdeckung (15, 130) und einem Primärab sorber (40, 135) angeordnet wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermoreflektor (105, 140) von dem gasförmigen Wärmeträgerfluid (76, 146) beidseits beströmt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sonnenkollektor eine Abdeckung aufweist, die aus einer äußeren (10, 125) und einer inneren (15, 130), lichtdurchlässigen Abdeckung mit einer dazwischen liegenden, ruhenden Luftschicht (20, 132) besteht, wobei die innere Abdeckung (15, 130) aus einer Materialbahn besteht, die neben ihrer Lichtdurch lässigkeit die Eigenschaft besitzt, Wärmestrahlung intensiv zu reflektieren und so gleichzeitig als Thermoreflektor (15, 130) wirksam ist und von dem gasförmigen Wärmeträger (76, 146) ausschließlich auf einer Seite beströmt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermoreflektor (105, 140) aus einer lichtdurchlässigen Materialbahn besteht, die mit einer aufgedampften, geeigneten Beschichtung, die die Wärmestrahlung intensiv reflektiert, versehen wird.