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Die
Erfindung betrifft einen Solarkollektor mit effizienten Wärmeübertragungseigenschaften.
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Solarkollektoren
werden auf dem Gebiet der Nutzbarmachung solarthermischer Energie
eingesetzt.
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Im
Stand der Technik sind Solarkollektoren verschiedenster Bauart bekannt.
Eine übliche
Bauform besteht darin, die den Wärmeträger führenden Kupfer-Rohre mit einer absorbierenden
Fläche
stoffschlüssig
zu verbinden. Insbesondere sind als Verbindungen das Verschweißen und
das Verlöten
der Absorberflächen
mit den Wärmeträger führenden Kupfer-Rohren
bekannt. Ebenso ist die Verwendung von Aluminium-Rohren theoretisch
bekannt, jedoch verhindern die Fügeprobleme
bei der Verarbeitung eine breite Anwendung dieser Technologie.
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Weiterhin
ist bekannt, Absorber zur Verbesserung der Absorptionseigenschaften
mit einer Beschichtung zu versehen. Dies ist erforderlich, weil
Absorber sonst in Gegenden mit geringerer Verfügbarkeit solarer Energie nicht
oder nur unter ungünstigsten
wirtschaftlichen Bedingungen einsetzbar sind. Somit wird in der
Regel ein Absorber mit einer Beschichtung ausgeführt, um eine höhere Absorptionleistung
zu erreichen und dadurch wirtschaftlicher zu arbeiten.
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Dabei
werden teilweise auch Beschichtungssysteme aus mehreren Schichten
angewandt.
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Die
Absorber bestehen zumeist aus Materialien wie Kupfer oder Aluminium,
da eine hohe Wärmeleitfähigkeit
aus der absorbierenden Fläche
zu den Wärmeträger führenden
Rohren gefordert ist. Die Absorber werden aus Platten, Blech, Folien
u. Ä. ausgebildet.
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Gleichfalls
sind voll durchströmte
Doppelbleche bekannt; diese konnten sich aber wegen verschiedenster
Probleme nicht durchsetzen.
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Aus
der
DE 29 30 942 A1 ist
ein Solarkollektorelement bekannt, das eine Vielzahl von im Wesentlichen
parallelen, zwischen zwei Wärme
leitenden Folien eingebetteten Rohren besitzt. Jedes Rohr weist
dabei Rohransätze
auf. Derartige Solarkollektorelemente werden hintereinander geschaltet.
Das Solarkollektorelement besitzt zwei Rohre, die zwischen zwei
Wärme leitenden
Folien eingebettet sind. Die in der
DE 29 30 942 A1 beschriebenen Solarkollektoren
sind hauptsächlich
als Absorptionselemente für
Sonnenstrahlung verwendbar. Sie können jedoch auch als Wärmetauscher
angewendet werden. Hierfür
genügt
es, in dem Rohr ein Fluid vorzusehen, das auf eine Temperatur gebracht
wird, die wenigstens um 20°C
größer als
die Temperatur der Umgebung ist, die erhitzt werden soll. Die von
diesen Wärmetauschern
gelieferte Wärmeleistung
liegt in der Größenordnung
der Wärmeleistung
von Radiatoren, die gewöhnlich
aus Gusseisen oder aus Stahlblech bestehen. Im Falle dieser Verwendung
der Absorptionselemente ist es für
ein gutes Funktionieren nicht unbedingt notwendig, die Wärme leitenden
Folien mit einer matten oder dunklen Farbe zu versehen.
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Nachteilig
an den im Stand der Technik bekannten Konstruktionen ist, dass diese
durch hohe und steigende Rohstoffpreise, insbesondere für Kupfer,
teuer sind und die Solarenergienutzung dadurch kostenineffizient
ist.
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Weiterhin
ist nachteilig, dass Maßnahmen ergriffen
werden müssen,
um beim Einsatz von Aluminium die Korrosion zu verhindern. Auch
ist beim Einsatz von Aluminiumblech als Absorber das Laser-Schweißen sehr
aufwändig;
nachteilig ist insgesamt, dass die industrielle Fertigung auf typische stoffschlüssige Metall-Fügetechniken
fixiert ist.
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Bei
Absorbern aus metallischen Blechen ist nachteilig, dass diese steif
und nicht flexibel elastisch auf thermische Ausdehnung reagieren.
Bei einer stoffschlüssigen
Verbindung zwischen Rohrmäander o. Ä. und Absorberblech ist
es bei den zu erwartenden Stagnationstemperaturen (200-220 °C) im Allgemeinen
nicht kritisch, weil die Rohrbögen
ein elastische Element darstellen und die Löt-/Schweißverbindungen Spannungen aufnehmen
können.
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Außerdem haben
diese Absorber ein beträchtliches
Gewicht, was generell nachteilig ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen solarthermischen Kollektor zur Verfügung zu
stellen, der von hoher Leistung geprägt ist sowie kostengünstig und
einfach produzierbar und aufzubauen ist.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch einen Solarkollektor gelöst, der aus einem Absorber und
damit thermisch in Kontakt stehenden, Wärmeträger führenden Rohren aufgebaut ist,
wobei der Absorber aus einer Absorberfolie ausgebildet ist, welche
aus mehreren Schichten als Verbund aufgebaut ist und mit den Wärmeträger führenden
Rohren einen formschlüssigen
Kontakt hat.
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Der
Solarkollektor ist erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, dass die Absorberfolie aus einer Graphitfolie als
Trägerfolie
und einer Solarstrahlung absorbierenden Folie ausgebildet ist.
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Weiterhin
vorteilhaft ist, wenn die die Solarstrahlung absorbierende Folie
als Aluminiumfolie ausgebildet ist und zusätzlich eine oder mehrere funktionale
Absorptionsschichten vorgesehen sind.
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Der
Solarkollektor erhält
vorteilhafte Eigenschaften bezüglich
der Wärmeübertragung,
wenn die Absorberfolie unter mechanischer Spannung mit den Wärmeträger führenden
Rohren thermisch kontaktiert ist. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung werden
die Wärmeträger führenden
Rohre von der Absorberfolie über
einen Umschlingungswinkel α am Rohrmantel
thermisch kontaktiert.
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Weiterhin
sind nach einer Ausgestaltung der Erfindung Klemmen mit Stiften
oder Gummistäbe vorgesehen,
welche die Absorberfolie unter mechanischer Spannung mit den Wärmeträger führenden Rohren
thermisch kontaktieren.
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Nach
der Konzeption der Erfindung ist die Absorberfolie funktional aus
einer Trägerschicht
aus Graphit und einer funktionalen Deckschicht mit absorbierenden
Eigenschaften aufgebaut. Der Einsatz von Graphit erfolgt dabei speziell
als Graphit-Folie, welche eine hohe Wärmeleitfähigkeit in der Fläche aufweist.
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Durch
die Trägerfolie
wird eine selbstspannende Anordnung möglich, verbunden mit mechanischen
Eigenschaften, welche den Wärmeübergang zu
den Fluiden durch die besseren Kontakteigenschaften erhöhen.
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Eine
alternative Ausgestaltung der Erfindung besteht in der formschlüssigen Verpressung
der Absorberfolie mit den Wärmeträger führenden
Rohren durch Spangen oder Ähnliches.
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Eine
weitere Ausgestaltung besteht in der elastischen Anpressung durch
Stege, deren gummielastische Seite die Absorberfolie an die Wärmeträger führenden
Rohre andrückt.
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Die
funktionale Trennung von Stütz-
und Spannungsfunktion sowie Absorptionsfunktion ermöglicht die
Kombination mit Metallfolien sowohl als Unterlage und/oder als Decklage.
In letzterem Fall können
die Metallfolien sehr dünn
sein. Es kommen Foliendicken zwischen 30 μm bis 100 μm zum Einsatz.
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Alternativ
oder kumulativ ist die direkte Beschichtung von Graphitfolie mit
bekannten Selektivschichten möglich.
Beispielsweise seien hier Schwarzchrom oder Titan-Oxynitrid-Schichten
genannt.
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Alternative
Verfahren zur Herstellung der Wärmeübertragung
zu den Kupferrohren oder zu anderen Rohren, wie zum Beispiel Aluminium,
erfolgen durch mechanische Verfahren, also Andrücken, Aufspannen, Klemmen an
Stelle von Löten
oder Schweißen.
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Die
Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere in folgenden Punkten:
- • Neue
Materialien und Fügeverfahren
ermöglichen
technische Vereinfachungen des Systems; Höhere Flexibilität der Herstellungsverfahren
(z. B. im Vergleich zum Laserschweißen), Vereinfachung der Fertigung
(Wegfall von Fügeverfahren wie
Löten,
Schweißen,
US-Fügen,
Laserschweißen);
- • Graphit
absorbiert über
einen breiten Spektralbereich und ist somit ideal selbst als absorbierende
Schicht geeignet;
- • Mechanische
Kontaktierung ist mechanisch einfach durch Spangen oder Stege möglich, da
Graphit sehr formschlüssig
ist;
- • Graphit-Folien
sind langzeitstabil, wodurch kaum Ersatzinvestitionen nötig sind;
- • Einsatz
auch für
konzentrierende/fokussierende Anordnungen möglich, insbesondere der Einsatz in
Verbindung mit Parabolrinnen, Parabolspiegeln, Fresnel-Linsen u.
a. fokussierenden Komponenten. Dabei können hohe Temperaturen entstehen.
Graphit ist bis 400°C
an Luft beständig;
- • Einfache
Montage aus vorgefertigten Komponenten möglich;
- • Neue
Materialkombinationen möglich
durch Verhinderung von Elektro-Korrosion
durch Graphit-Zwischenlage;
- • Graphitfolie
ist ökologisch
unbedenklich, nicht toxisch, leicht zu entsorgen;
- • Primärenergie-Einsatz
zur Herstellung ist deutlich geringer als für Metalle;
- • Umweltfreundlichkeit
der Materialien und Verfahren bei der Herstellung der Absorber;
- • Kürzere Energierücklaufzeit;
- • Da
keine Löt-
oder Schweißverfahren
eingesetzt werden, ist der Energieeinsatz für die Montage ebenfalls sehr
gering.
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Es
treten weitere ökonomische
Vorteile hinzu:
- • Die Graphitfolie ist preiswert,
selbst wenn sie beschichtet wird;
- • Die
Herstellung von Solarthermie-Modulen ist wegen der einfachen Fertigung
kostengünstig,
es werden nur einfache Fertigungsausrüstungen benötigt, beispielsweise ist keine
kostenaufwändige Anlage
zum Laserschweißen
erforderlich;
- • Der
geringere Energieverbrauch bei der Fertigung führt neben dem ökologischen
Vorteil auch zu ökonomischen
Vorteilen.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme
auf die zugehörigen
Zeichnungen. Es zeigen:
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1:
einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Absorberfolie,
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2:
in einem Schnitt durch das Rohrgestänge eines Solarkollektors eine
erste Anordnung einer erfindungsgemäßen Absorberfolie, einseitig
mit Solarlack beschichtete Graphitfolie, auf Rohrsystem angedrückt,
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3:
in einem Schnitt durch das Rohrgestänge eines Solarkollektors eine
zweite Anordnung einer erfindungsgemäßen Absorberfolie, an die Rohre
geklemmte Folie mit Selektivbeschichtung nach oben oder Folienpaket
aus Metallfolien und Graphitfolien mit stark absorbierender und
wenig teemittierender Oberfläche
(selektiv beschichtet),
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4:
einen Ausschnitt der Draufsicht auf 3,
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5:
den Schnitt A-A gemäß 4,
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6:
Detailansicht Kupferrohr und Silikongummi mit Stahl-Seele,
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Die
Absorberfolie 1 besteht in der Ausführung gemäß 1 aus drei
Schichten 1a bis 1c, wobei beispielsweise 1a eine
absorbierende Beschichtung auf einer Aluminiumfolie 1b ist,
welche mit der Graphitfolie 1c verbunden sind. Absorptionsschichten:
Schichten/Schichtfolgen:
Titan-Oxynitrid-Schichten, Eloxal, Schwarzchrom,
Verbund: Graphit
-Al, -Cu, -Mg, -elox. Al;
Alternativ sind auf der Ober- und
der Unterseite der Graphitfolie 1c Beschichtungen 1a oder
Aluminiumfolie 1b sowie Beschichtungen 1a angeordnet.
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Die
Anordnung der Rohre, die das flüssiges Medium,
den Wärmeträger, führen, erfolgt
als Mäander – oder in
Harfenschaltung.
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Die
Absorberfolie 1 wird als Band alternierend über und
unter die Rohre 2 geführt
und am Rahmen mit einer Klemmhalterung verspannt. Der intime Kontakt
zwischen Folie und Rohr wird durch verschiedene Maßnahmen
erreicht:
- 1. direkte Anschmiegung durch Verschränkung der
Rohrgeflechte, nach 2, und
- 2. Anpressung mit Spangen oder ähnlichen Elementen, gemäß 3,
worunter auch Schienen oder Ähnliches
fallen.
- 3. die Verklebung mit Leitkleber, so dass eine einfache stoffschlüssige Verbindung
entsteht, ist als optionale Maßnahme
möglich.
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In
der Ausführung
nach 2 ist die Absorberfolie 1 zwischen die
Rohre 2 geflochten. Die Seitenränder der Folie 1 sind
in Pfeilrichtung federnd gegen den Rahmen gespannt. Die hierfür erforderlichen Mittel
und auch der Rahmen wurden nicht näher dargestellt. Im einfachsten
Fall sind die Seitenränder
der Folie 1 jeweils zwischen Leisten geklemmt und Zugfedern
zwischen den Leisten und dem Rahmen gespannt. Durch die Zugspannung
wird zum einen gesichert, dass die Folie 1 auch mit ihrer
Unterseite an den Rohren 2 anliegt, und zum anderen erreicht, dass
sich die Folie 1 gegenüber
den fest im Rahmen eingespannten Rohren 2 seitlich bewegen
und unterschiedliche Wärmedehnungen
ausgleichen kann.
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Die
Vorteile beim Aufbau als spannendes Rohrgestänge liegen darin, dass eine
Erweiterung des Spektrums an einsetzbaren Materialien, wie zum Beispiel
auf Aluminium-Rohre, erfolgt. Es sind weiterhin keine stoffschlüssigen Fügetechniken
zwischen Folie bzw. Blech und Rohr erforderlich, wodurch insgesamt
kostengünstige
Systemlösungen
bei großer Absorptionsleistung
und gleichzeitiger Gewichtsverringerung durch den Einsatz von Aluminium
statt Kupfer und Graphit statt Aluminium Blech Ressourcen schonend
umgesetzt werden. Die Montage ist vereinfacht und damit Kosten sparend
ausführbar.
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In
der zweiten Ausführung
gemäß den 3 bis 5 liegt
die Folie 1 von einer Seite auf den Rohren 2 auf.
Die Folie wird an beiden Stirnseiten mit Klemmen an jedem Rohr 2 befestigt.
Jede Klemme hat zwei die Rohre 2 umfassende Stifte 3 und
eine Klemmschelle 4, wobei die Stifte 3 und die
Klemmschellen 4 jeweils fest miteinander verbunden sind. Im
Schnitt A-A (5) ist eine mögliche Anordnung zu
sehen. Eine Art Selbstklemmung wird erreicht, wenn die Achsen der
Stifte 3 unter den Achsen der Rohre 2 angeordnet
sind. Mit den Klemmen wird einem Verrutschen der Folie 1 vorgebeugt.
Die Folie 1 liegt eng an den Rohren 2 an.
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Beim
Umschlingungswinkel muss man beachten, dass ein Folienblech nicht
beliebig gebogen werden kann. Und eine große Berührungsfläche ist auch nicht notwenig
für die Übertragung
auf das Rohr, wie überraschenderweise
gefunden wurde.
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Eine
Spannwirkung/Anpressen wird nur durch die Spange/Schelle o. Ä. erreicht.
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Es
ist für
den Fachmann selbstverständlich, dass
die Folie 1 auch anderweitig von oben auf die Rohre 2 gepresst
werden kann, beispielsweise mit senkrecht zur Folie 1 federnd
vorgespannten Leisten oder Schienen/Leisten mit elastischer Zwischenlage gemäß den Darstellungen
in den Figuren.
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Typische
Ausbildungen werden mit Folien erreicht, deren Dicke im Bereich
von 0,03-0,5 mm liegt. Die Breite der Folienbahnen kann hier im
Bereich von 0 bis 500 mm liegen, aber auch größere Breiten sind nicht ausgeschlossen.
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Die
Abstände,
Durchmesser und Wandstärken
der durchströmten
Rohre sind aus Modellierungsrechnungen bestimmt, die eine Vielzahl
von Parametern, wie die Druckfestigkeit, den Druckabfall bei der
Durchströmung,
die Wärmeübergangszahl,
die kinematischen und dynamischen Fließeigenschaften der Fluide,
den Wärmeübergang
in Abhängigkeit
von der Fließgeschwindigkeit
u. a. m., erfassen.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind beispielsweise Rohre von
8 mm-12 mm Durchmesser mit Wandstärken von 0,4-1 mm in einem
Abstand bis 150 mm einsetzbar Als Material ist Aluminiumrohr oder
alternativ Cu-Rohr im Einsatz.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
besteht aus einem Folienpaket, wobei die oberste Folie eine dünne Metallfolie,
z. B. aus Aluminium oder Kupfer, mit einer Stärke 10 μm bis ca. 100 μm mit Selektivbeschichtung
ist, eine mittlere dickere Folien- bzw. Blechlage oder auch ein
mittleres Folienpaket von einer Gesamtstärke von 100 μm bis in
den mm-Bereich mit hoher lateraler Wärmeleitfähigkeit den Wärmetransport
aus der Fläche
zu den Rohren gewährleistet,
wobei hierzu vorzugsweise weichgeglühte Metallfolien oder -bleche
und/oder Graphitfolie oder -blech verwendet werden und welches bei
Bedarf durch eine untere Folie, die teilweise durchbrochen sein kann,
oder durch ein Drahtnetz oder auch einzelne Drähte gehalten werden kann. Diese
Folienpakete werden, wie oben beschrieben, mit den Rohren thermisch
verbunden. In den Bereichen zwischen den Rohren kann das Folienpaket
leicht zusammengedrückt
werden, um den thermischen Kontakt zwischen den Einzelfolien auch
bei unterschiedlicher thermischer Ausdehnung zu gewährleisten.
Dies kann durch eine auf die Anwendungstemperatur abgestimmte Materialauswahl
der Bestandteile des Folienpaketes und der Befestigung und/oder
durch leichten Andruck von unten gegen das Folienpaket in den Bereichen
zwischen den Rohren, was beispielsweise durch dazwischengestopfte
Unterfütterung
mit Mineralwolle geschehen kann, realisiert werden.
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- 1
- Absorberfolie
- 2
- Rohre
- 3
- Stifte
- 4
- Klemmschelle