DE102007055293A1

DE102007055293A1 - Solarwärme-Flachkollektor

Info

Publication number: DE102007055293A1
Application number: DE102007055293A
Authority: DE
Inventors: Michael Henze
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-11-17
Filing date: 2007-11-17
Publication date: 2009-10-08

Abstract

Vorrichtung eines Flachkollektors zur dezentralen Gewinnung von Sonnenwärme, der u. a. aus einer Verbundplatte aus einer Zwischenplatte mit zwei im Abstand zueinander parallel angeordneten massiven und für gasförmige wie flüssige Medien dichten, ebenen und nur an den Rändern miteinander verbundenen und abgedichteten und in einer Richtung von einem Wärmeträgermedium vollflächig hinterströmten Außenplatten und einer porösen Füllmasse mit offenen Hohlräumen besteht und bei dem alle für die optimale Funktion eines Flachkollektors zusätzlich erforderlichen bewährten Einrichtungen zugeordnet oder an diese angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenplatte aus der Füllmasse besteht und selbst oder erst zusammen mit mindestens einer Außenplatte einen starren und stabilen Verbund definierter Dicke hat und im Wesentlichen über ihre komplette Fläche einen festen Verbund mit den zwei Außenplatten herstellt und im Prinzip in ihrem gesamten Plattenquerschnitt in einer Richtung von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird und je nach Flachkollektortyp nicht nur ein Wärmetauscher, sondern ggf. auch ein Absorber für die Sonnenstrahlen ist.

Description

Die Erfindung betrifft die Vorrichtung eines Flachkollektors zur dezentralen Gewinnung von Sonnenwärme, der u. a. aus einer Verbundplatte bzw. einer Zwischenplatte mit zwei im Abstand zueinander parallel angeordneten massiven und für gasförmige wie flüssige Medien dichten, ebenen, und nur an den Rändern miteinander verbundenen und abgedichteten, und in einer Richtung von einem Wärmeträgermedium vollflächig hinterströmten Außenplatten, und einer porösen Füllmasse mit offenen Hohlräumen besteht, und der alle für die optimale Funktion eines Flachkollektors zusätzlich erforderlichen bewährten Einrichtungen zugeordnet, oder an diese angeschlossen sind.
Sonnenwärme-Flachkollektoren dienen der regenerativen Wärmegewinnung aus der direkten Sonnenstrahlung, und kommen neben konventionellen und anderen alternativen Mitteln zur Wärmegewinnung vermehrt zum Einsatz, um fossile Ressourcen für die Primärenergieerzeugung einzusparen. Der Markt stellt hierfür schon die unterschiedlichsten, recht ausgereiften Produkte zur Verfügung, jedoch sind die Herstellungs- und Betriebskosten noch derart teuer, dass bei der derzeitigen Effektivität dieser Systeme und den aktuellen Primärenergiepreisen ohne staatliche Bezuschussung noch keine wirkliche Wirtschaftlichkeit erreicht wird. Es wird daher weiterhin intensiv nach neuen technischen Lösungen zur Verbesserung der Effektivität und Effizienz der Sonnenkollektoren gesucht.
Der diesbezügliche allgemeine Stand der Technik wird umfassend in der mittlerweile schon recht umfangreichen Fachliteratur beschrieben, sodass wie folgt nur noch auf den für diese Anmeldung spezifischen und damit relevanten Stand der Technik näher eingegangen wird.
Für den Fachmann, der einen Solarwärme-Flachkollektor bauen will, ist zumindest theoretisch denkbar, dass zwei ebene Platten, aus z. B. Kupfer oder Aluminium auf Abstand flächig und parallel zueinander angeordnet werden können, wenn sie zumindest an den Plattenrändern miteinander verbunden sind. Diese Verbindung dient dazu, den durch den Abstand der Platten gebildeten flachen Raum, in dem später das Wärmeträgermedium strömen soll, nach Außen zu verschließen und gleichzeitig abzudichten. Dies geschieht bekanntlich dadurch, dass z. B. die Platten an ihren Rändern profiliert, und diese Profilierung verschweißt, verschraubt, verklebt und/oder mit einem zusätzlichen Profileinrichtung zusammengepresst wird. Es ist aber auch möglich, die Platten an ihren umlaufenden Rändern mit einem bündig dazwischen gelegten Vierkantprofilrahmen auf Abstand zu halten und gleichzeitig damit fest zu verbinden und abzudichten. Die eigentliche Abdichtung erfolgt entweder durch werkstoffschlüssige Verbindungsverfahren, wie z. B. das Schweißen, oder durch mechanische Abdichtung von Profilen mittels z. B. Butyl-Kautschuk-Klebern oder Bändern. Hierfür stehen der Industrie mittlerweile viele bewährte Techniken und Hilfsmittel z. B. aus der Fenster- und Fassadentechnik zur Verfügung. Eine solche Doppelplatte bzw. Verbundplatte muss jetzt noch an das Wärmeträgermedium angeschlossen werden. Um eine komplette Durchströmung der Verbundplatte zu erreichen, sollten sich die entsprechenden Anschlüsse dafür jeweils am gegenüberliegenden Randbereich der Verbundplatte befinden. Flachkollektoren sind meistens vertikal an der Hauswand oder schräg auf dem Dach positioniert, um die Sonnenstrahlung im optimalsten Einstrahlungswinkel empfangen zu können. Die Durchströmung wird daher bei dieser Art von Kollektoren, d. h. bei vollflächig durchströmten Flachkollektoren, in einer Richtung entweder von unten nach oben, oder umgekehrt von oben nach unten erfolgen, und sollte möglichst vollflächig und gleichmäßig verteilt stattfinden. Eine horizontale Durchströmung ist daher in diesem Fall zwar machbar, jedoch weniger sinnvoll und effektiv. Um dies zu erreichen, sollte das Wärmeträgermedium nicht nur oben und unten jeweils an einer Stelle, sondern gleichzeitig an mehreren Stellen, oder Idealerweise entlang der jeweils gesamten Unterseite bzw. Oberseite der Verbundplatte dieser zugeführt bzw. aus dieser abgeführt werden. Eine diesbezüglich vorteilhafte Lösung wäre z. B., ein Verteilerrohr in Form eines Vierkantrohrprofils mit einem Längsschlitz oder mehreren längs angeordneten Bohrlöchern auszustatten und dieses an den entsprechenden Rändern der Platten derart bündig dazwischen einzupassen, dass damit zumindest an diesen Rändern gleichzeitig schon eine Abdichtung erreicht wird. Das Wärmeträgermedium kann dann vom entsprechenden Rand der Doppelplatte, oder von der Rückseite der Doppelplatte an das Verteilerrohr angeschlossen werden. Grundsätzlich ist auch denkbar, das Verteilerrohr im wesentlichen außerhalb der Doppelplatte mit einem flachen Profilanschluss in den Strömungsraum hinein entlang des entsprechenden Verbundplattenrandes anzuordnen. Die integrierte Ausführung hat den Vorteil, dass solche Flachkollektoren sehr raum- und platzsparend bauen und gut lückenlos flächig zu einem größeren Kollektorfeld aneinander gereiht werden können. Die externe Ausführung hat den Vorteil, das solche Verteiler auch größer dimensioniert werden können, und sogar bei Einzelanlagen bekanntlich als Warmwasserspeicher dienen.
Zur Vervollständigung eines dann letztendlich montage- und betriebsfähigen solaren Flachkollektors bedarf es noch eines am Boden und zu den Seiten hin wärmegedämmten und mit einer Abdeckung bündig und dicht verschlossenen Kollektorkastens, in den der zuvor beschriebene Verbundplatten-Kollektor flächig eingepasst wird. Die Abdeckung soll für die Sonnenstrahlen optimal durchlässig sein und gleichzeitig so wenig wie möglich Wärme nach Außen wieder abgeben, und besteht bei den meisten bekannten Ausführungen zumindest aus einer speziell dafür geeigneten Glasplatte mit ggf. zusätzlichen Beschichtungen und Oberflächenbearbeitung.
Keine Frage – diese Konstruktion würde zumindest theoretisch erst mal grundsätzlich die Voraussetzung für einen optimalen Sonnenkollektor auf der Grundlage eines einfachen Platten-Wärmetauschers erfüllen. Der Vorteil eines solchen Kollektors wäre die hindernisfreie vollflächige Nutzbarmachung einer Platte zur Absorption der Wärme aus der Sonnenstrahlung und ihre schnellste Weitergabe an das direkt dahinter strömende Wärmeträgermedium auf kürzestem Wege. Die Praxis hat jedoch gezeigt, da das Wärmeträgermedium systembedingt meist unter relativ hohem Druck im Kollektor zirkuliert, sodass ein solcher Kollektor unter diesen einfachen konstruktiven Bedingungen nicht formstabil bleiben, d. h. die Platten sich mehr oder weniger nach außen wölben, und sich im schlimmsten Fall dabei bleibend verformt oder sogar mechanisch versagen würden. Dies wirkt sich umso gravierender aus, je größer die Plattenfläche und je weniger zug- und biegefest das Plattenmaterial ist. Das Problem kann gemindert werden, wenn Platten mit größerer Wanddicke eingesetzt, oder durch entsprechende Profilierungen zusätzlich versteift werden. Dies würde aber wiederum andere Nachteile nach sich ziehen, da größere Wandstärken die Wärmeleitung erschweren, und zur Versteifung profilierte Platten, wie auch nach außen gewölbte Platten keine ideale Oberfläche für die Absorption darstellen, da hierdurch kein optisch optimaler und über die gesamte Plattenfläche gleicher Auftreffwinkel für die Sonnenstrahlung ermöglicht wird.
Idealerweise sollte zumindest eine der Platten, nämlich die der Sonne zugewandte Absorberplatte eines solchen Kollektors absolut eben sein, und eine geringst mögliche Wanddicke haben, und aus einem bestmöglich wärmeleitenden Werkstoff bestehen. Hierzu muss die Platte aber nicht unbedingt glatt sein, sondern kann auch eine für die Absorption speziell geeignete Oberflächenbearbeitung haben. Zum Beispiel matte, d. h. sehr fein aufgeraute Oberflächen sind sehr gut für die Absorption von Sonnenstrahlen geeignet.
Man hat daraufhin das Problem der Ausbeulung dadurch versucht zu lösen, dass man zwischen den Platten regelmäßig über die Fläche verteilte Abstands- und Verbindungspunkte, wie z. B. Stege, Noppen etc. eingebaut hat. Eine solche Lösung wird in der Schrift EP 39379 A2 offenbart, wo zumindest zwei ebene Außenplatten durch eine zusätzliche dünne Zwischenplatte, die flächig mit regelmäßig angeordneten, auf Lücke versetzten Ausformungen in Form von entsprechend geometrisch gestalteten Noppen profiliert ist, auf einen bestimmten Abstand gehalten werden. Vorzugsweise kommt hierfür ein entsprechend verformtes Blech zur Anwendung. Es handelt sich hierbei zwar nur um Abstandshalter, die keine feste Verbindung, sondern nur einen berührenden Kontakt zwischen den Platten herstellen, sodass diese Ausführung in der Praxis nur weitestgehend drucklos, d. h. vorzugsweise nur mit einem gasförmigen Wärmeträgermedium (z. B. Luft) betrieben werden kann. Es liegt jedoch nahe, die Noppen alternativ auch durch eine zusätzliche Punktschweißverbindung mit der jeweils anliegenden Platte fest zu verbinden. Diese Variante wird in der Schrift AT 502 567 B1 bevorzugt, wo eine nach beiden Seiten hin mit pyramidenstumpfartigen Noppen versetzt profilierte Zwischenplatte mit zwei Außenplatten über die Noppen verschweißt ist. Solche Zwischenplatten dienen in diesem Fall vorrangig konstruktiven Zwecken, thermodynamisch können sie unter bestimmten Umständen eventuell vielleicht noch zur Verbesserung der Strömungseigenschaften des Wärmeträgermediums beitragen. Für eine Vergrößerung der Wärmetauscherfläche, wie vielfach angenommen, sind solche Zwischenplatten weniger gut geeignet. Rein konstruktiv ist zwar eine Vergrößerung gegeben, jedoch ist sie wenig effektiv, weil der wärmeleitende Kontakt nur über die einzelnen, sehr kleinen Verbindungsstellen erfolgt, und der Wärmefluss bzw. der Wärmeübertragungsweg über das massive zusätzliche Zwischenplattenmaterial nur unnötig verlängern wird. Zudem nimmt eine solche Zwischenplatte selbst Wärme auf und speichern sie. Dieses Wärmepotenzial kann dann nicht an das Wärmeträgermedium abgegeben und geht der Wärmenutzung verloren. Jedoch trotz Stabilisierung wird auch diese Art der Konstruktion das Problem der Ausbeulung der Platten nicht gänzlich verhindern, da zwischen den Verbindungsstellen größere Abstände bestehen, wo insbesondere weichere Plattenwerkstoffe, wozu auch die für Sonnenkollektoren bevorzugten Metallwerkstoffe Kupfer und Aluminium gehören, immer eine wenn auch kleine Ausbeulung erfahren werden, insbesondere dann, wenn sie nicht dick genug ausgeführt werden.
Hinzu kommt, das der Raum zwischen den Außenplatten nunmehr zusätzlich mit solchen Verbindungskörpern bzw. Profilen ausgefüllt ist, und den Strömungsquerschnitt je nach Bauart mehr oder weniger einengen. Das Strömungsvolumen und die dementsprechend transportierbare Wärmemenge durch den Wärmeträgers ist also sehr eingeschränkt. Auch wird hierdurch dem Wärmeträger eine Vielzahl von größeren Prallflächen entgegenstellt, die einen hohen hydraulischen Strömungswiderstand erzeugen. Es ist natürlich denkbar, die mit Abstand positionierten Noppen auch ohne Versatz, d. h. hintereinander in Spalten und Reihen anzuordnen. Dies würde zwar den Strömungswiderstand etwas verringern, jedoch die auch gewünschte gleichmäßige Durchmischung und flächige Verteilung des Wärmeträgermediums zwischen den Platten einschränkten.
Grundsätzlich soll mit diesen Verbindungskörpern gleichzeitig auch eine bessere Durchmischung des Wärmeträgers bzw. der in ihm enthaltenen Wärme erreicht werden. Auch soll durch den bei der Umströmung der Verbindungskörper entstehenden Druckwechsel bei einhergehender schneller Änderung der Strömungsgeschwindigkeit im Wärmeträgermedium bekanntlich ein effektiverer Wärmetausch bewirkt werden. Dies mag zwar in den von den Verbindungskörpern gebildeten Strömungskanälen der Fall sein, jedoch in den von den Verbindungskörpern eingenommenen Flächen der Platten kommt dies sicherlich nicht bzw. nur in eingeschränkter Form zum Tragen. Dies betrifft insbesondere z. B. die kreisförmige, mit der Außenplatte verschweißte Fläche des Kegelstumpfes und die negative Rückseite des Kegelstumpfes in Form einer entsprechenden Vertiefung in der Zwischenplatte. Solche derart tief ausgeformten Profile sind bekanntlich nur sehr schwierig für den Wärmetausch effektiv zu durchströmen, sodass die Praxis im allgemeinen Platten-Wärmetauscherbau dementsprechend meist nur sehr flach profilierte Wärmetauscher-Zwischenplatten verwendet.
Ziel für eine technische Optimierung solcher flächig angeordneter Verbindungskörper bzw. profilierter Platten zwischen zwei Solarkollektor-Außenplatten, sofern sie überhaupt unbedingt erforderlich sind, müsste demnach sein, die Verbindungskörper so klein und dreidimensional ungleichförmig, jedoch so strömungsgünstig wie möglich zu gestalten, und ihre Abstände in gleichmäßig verteilter und vorzugweise ungeordneter Anordnung bei gleichzeitiger Zunahme der Anzahl zu verringern. Der offene Querschnitt sollte jedoch so groß wie möglich bleiben, um einen effektiven Volumenstrom bei geringst möglichem Strömungswiderstand zu erreichen. Die Wärmeübertragung von der Außenplatte auf den Wärmeträger muss auf dem kürzesten Wege erfolgen können, d. h. die Platten sollten so dünn wie möglich sein, und gleich dahinter vom Wärmeträger hinterflossen sein. Gleichzeitig sollte eine für den Wärmetausch bestmögliche Strömungsform gefunden werden, die eine im gesamten Strömungsquerschnitt gleichmäßige und intensive Verwirbelung und Verteilung des Wärmeträgers ermöglicht.
Eine andere Lösung des Problems wird in der Schrift DE 20 2006 008 162 U1 vorgeschlagen. Der darin vermittelte Stand der Technik ist zwar für diese Anmeldung weniger bedeutsam, soll aber in diesem Zusammenhang Erwähnung finden, weil, obwohl keine Zwischenplatte zur Ausführung kommt, auf typische Weise eine weitere Variante für den Verbund zweier Außenplatten dargestellt wird. Hier werden zur Innendruckstabilisierung eines Verbundplattenkollektors die Platten mit durch im Abstand zueinander parallelen Längsstege verbunden, die den Strömungsraum in entsprechend flache und breite Strömungskanäle aufteilt. Diese können horizontal oder vertikal verlaufen. Diese Ausführung kennt man an sich schon in Form von Plattenheizkörpern für die Raumheizung. Es kann sich hier vorzugsweise um verschweißbare profilierte Blechplatten handeln, denkbar sind aber auch sogenannte fertiggegossene oder extrudierte Stegplatten aus Kunststoff, wie sie aus der Fenster- und Fassadentechnik schon bekannt sind, und auch schon für Sonnenkollektoren verwendet wurden. Diese Stegverbindungen bilden nunmehr parallele Strömungskanäle im Strömungsraum zwischen den Platten, die nach Bedarf eine rein parallele, oder einer gegenläufig parallele, hintereinander geschaltete Strömungsführung ermöglichen. Ein drittes Blech als Zwischenplatte ist wie gesagt bei dieser Ausführung nicht erforderlich. Diese Konstruktionsform wird sicherlich den Strömungswiderstand verringern, jedoch zwischen den Längsstegen eine entsprechende Ausbeulung der Platten auch nicht gänzlich verhindern. Als weiterer Nachteil kommt hinzu, dass die durch die Stege gebildeten Strömungskanäle bei weiterer Verringerung der Abstände letztendlich wieder einem Rohrleitungssystem gleichkommen, wie es bei solaren Flachkollektoren in paralleler, d. h. Harfenform, oder in Schlangen- bzw. Mäanderform schon bekannt ist, mit dem Unterschied, dass ein Rohrleitungssystem eine vergleichsweise geringere Oberfläche für den Wärmetausch hat, jedoch höheren Drücken verformungsfrei Stand hält. Von einer freien, sich hinter einer Platte flächig verteilenden Strömung des Wärmeträgermediums rückt dieses System bei entsprechender Verringerung der Stegabstände immer weiter ab.
Eine weitere interessante Erweiterung des genannten Standes der Technik wird mit der PCT-Schrift WO 96/07857 offenbart. Die darin beschriebene Technik ist zwar für diese Anmeldung auch nicht unbedingt bedeutsam, weißt aber u. a. in diesem Zusammenhang auch eine im Prinzip poröse Füllmasse mit offenen Hohlräumen auf. Denn hier wird ein stehender oder schräg positionierter Solarkollektor in Form einer Doppelplatte mit Stegen aus Kunststoff in seinem zwischen den beiden Platten verbliebenen Zwischenraum mit einer losen Schüttung von Partikeln weitestgehend formschlüssig verfüllt und mit Wasser zumindest gesättigt. Die Partikelgröße ist so abgestimmt, dass in der Partikelmasse kleinste offene und entsprechend mit Wasser ausgefüllte Hohlräume und Kapillare gebildet werden, die in der Lage sind, durch die entstehende Kapillarkraft das aufgenommene Wasser weitestgehend eigenständig in der Struktur der Schüttung zu halten bzw. bei von oben nachgefülltem Wasser in einer Art Schwerkraftbetrieb entsprechend gebremst nach unten durchsickern zu lassen. Das bedingt, das die Partikelmasse nach unten aufgefangen ist, das Wasser aber nach untern frei weiter aussickern kann, und zwar in einen Längskanal, der entlang des unteren Kollektorrandes unterhalb der Partikelpackung angeordnet ist. Dies soll den ansonsten in solchen Flachkollektoren durch Gravitation vorhandenen Wasserdruck aufheben und die Außenplatten davon entlasten. Dies kann sicherlich im Laborversuch funktionieren, jedoch wird man damit in der Praxis keinen effektiven wie effizienten Sonnenkollektorbetrieb realisieren können, weil eine solche kapillare Struktur schon allein physikalisch-konstruktiv nicht den erforderlichen offenen Strömungsquerschnitt hergibt, um die für eine Wärmenutzung notwendige Wassermenge hindurchströmen zu lassen. Dementsprechend ist dieses System auch nicht für einen Pumpenbetrieb geeignet. Unabhängig davon wurde bei der Entwicklung dieses Systems übersehen, dass auch eine angehäufte oder wie in diesem Fall zwischen zwei Platten aufgestapelte lose Partikel der Schwerkraft unterliegen und ähnlich wie beim Wasser nach unten hin einen immer größeren Seitendruck auf die Außenplatten ausüben. Dies kann man aber verhindern, wenn die Verbindungsstege horizontale Strömungskanäle bilden und entsprechend das Partikelvolumen in kleinere Pakete aufteilen und abfangen.
Eine diesbezüglich ganz andere Konstruktion und Herstellweise wird mit der europäischen Schrift EP 1 657 497 A1 vermittelt. Auch diese Konstruktion verwendet keine Zwischenplatte, sieht aber auch eine poröse Füllmasse mit offenen Hohlräumen vor. Beschrieben wird gleichfalls die Konstruktion einer Verbundplatte bestehend aus zwei Außenplatten. Der beabstandete Verbund wird aber, wie gesagt, nicht durch eine wie auch immer geartete Zwischenplatte, sondern durch eine eingestreute Schicht loser Partikel hergestellt, die alle die gleiche Größe bzw. den gleichen Durchmesser haben und in gleichmäßigen Abständen über die gesamte nutzbare Plattenfläche verteilt werden müssen, und in den anliegenden Außenplatten entweder durch Verklebung oder formschlüssige Einbindung befestigt sind. Diese Partikelschicht dient in erster Linie als Abstandshalter für die beiden Außenplatten, um zwischen den Partikeln ein zirkulierendes Wärmeträgermedium aufnehmen und führen zu können. Die gewählte Befestigungsart der Partikel mit den Außenplatten dürfte eher der sicheren Positionierung der Partikel und weniger einem statisch robusten Verbund der Außenplatten miteinander dienen. Und Letzteres ist nun mal erforderlich, wenn ein entsprechend großer Flachkollektor mit Innendruck betrieben wird. Auch scheint die vorgeschlagene Herstellweise eher auf eine aufwendige handwerkliche Art hinzuweisen, d. h. für Einzelanfertigung bestimmt zu sein. Denn das sogenannte „wärmetauschende Element" ist aus mehreren Schichten aufgebaut, die alle individuell hintereinander bzw. aufeinander in Gießformen in zwei Teilen gegossen und dann mit den Partikeln als Abstandshalter zusammengefügt werden müssen. Insbesondere wird es schwierig sein, die theoretisch berechnete Partikelgröße und den damit geplanten Abstand der Außenplatten und die absolut gleichmäßige Verteilung der Partikel bei der Fertigung exakt in die Praxis umzusetzen. Für eine industrielle Fertigung fehlt dieser Technik bzw. diesem Herstellverfahren die reproduzierbaren, d. h. die qualitätsgesicherten immer gleichbleibenden und rationell vorfertigbaren Baukomponenten.
Ziel weiterer Entwicklungen muss also sein, obwohl sich viele technische Parameter für die Umsetzung eines perfekten Flachkollektors allein schon physikalisch entgegenstehen, diese zumindest perfekter abzustimmen und zu kombinieren, wobei z. B. auch durch den Einsatz neuer Materialien nicht nur die technische Funktion, sondern auch die wirtschaftlichere Herstellung solcher Kollektoren weiter verbessert werden kann.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik und den damit verbundenen bisherigen Nachteilen, liegt der vorliegenden Erfindung nun die Aufgabe zu Grunde, einen entsprechenden Flachkollektor anbieten zu können, der u. a. auch aus einer Verbundplatte, gebildet aus einer Zwischen- und zwei Außenplatten besteht, jedoch nicht die genannten Nachteile des Standes der Technik aufweist, bzw. darüber hinaus gemäß dem vorgenannten formulierten Ziel zusätzliche Vorteile bringt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Flachkollektor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und den weiteren wesentlichen Ausgestaltungen in den Unteransprüchen 2 bis 40 derart gelöst, indem gemäß dem Hauptanspruch die Zwischenplatte aus der Füllmasse besteht und selbst oder erst zusammen mit mindestens einer Außenplatte einen starren und stabilen Verbund definierter Dicke hat, und im wesentlichen über ihre komplette Fläche einen festen Verbund mit den zwei Außenplatten herstellt, und im Prinzip in ihrem gesamten Plattenquerschnitt in einer Richtung von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird, und je nach Flachkollektortyp nicht nur ein Wärmetauscher, sondern ggf. auch ein Absorber für die Sonnenstrahlen ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht in diesem Zusammenhang auch eine Verbundplatte mit einer Zwischenplatte zwischen zwei Außenplatten vor, jedoch mit dem Unterschied zum Stand der Technik, dass die erfinderische Zwischenplatte keine massive, wie auch immer ausgeformte oder profilierte, und zu den Außenplatten beabstandete bzw. nur über vereinzelte Ausformungen in Verbindung stehende Blechplatte ist. Auch handelt es sich hier stattdessen auch nicht um eine porösen Füllmasse mit offenen Hohlräumen zwischen zwei Außenplatten in Form von verfüllten losen Partikel. Sondern es handelt sich hier um eine erfinderische Platte, die selbst aus einer porösen Füllmasse mit Hohlräumen besteht, und nach der Herstellung Werkstoff- wie konstruktionsbezogen entweder alleine oder erst zusammen mit mindestens einer Außenplatte zu einer Platte mit einem starren und stabilen Verbund definierter Dicke wird. Diese Platte stellt einen vorzugsweise rechtwinkligen und entsprechend flachen Plattenkörper dar, der absolut bündig zwischen zwei Außenplatten eingepasst ist. Die Platte kann aber auch eine entsprechend dem Raum zwischen den Außenplatten angepasste Form haben, wenn die besondere Ausformung der Außenplatten dies erfordert, damit die Bündigkeit immer gewährleistet ist. Zum Beispiel kann die Innenfläche mindestens einer der Außenplatten profiliert sein, oder die Ränder sind gebördelt, um die Außenplatten direkt über eine einzige umlaufende Kontaktfläche, z. B. mittels einer Schweißnaht, miteinander verbinden und abdichten zu können. Somit füllt diese neue und erfinderische Zwischenplatte den kompletten Raum zwischen zwei zueinander parallel angeordneten, massiven und dementsprechend mediendichten, ebenen, und nur an den Rändern miteinander verbundenen und abgedichteten Außenplatten aus, und trotzdem können die Außenplatten von einem Wärmeträgermedium vollflächig hinterströmt werden, weil die Zwischenplatte selbst aufgrund ihrer offenen Porosität in idealer Weise vom Wärmeträgermedium in ihrem gesamten Querschnitt flächig wie räumlich durchströmt werden kann. Um nun sicher zu stellen, dass sich die Außenplatten bei Innendruckbetrieb, das kann im Schwerkraft- wie im Pumpenbetrieb der Fall sein, sich nicht wie zum Stand der Technik bei anderen Verbundplatten schon negativ festgestellt, nach außen ausbeulen können, stellt die bei der Herstellung formschlüssig eingepasste Zwischenplatte gleichzeitig über ihre komplette Plattenfläche einen festen Verbund mit den beiden Außenplatten her. Das bedeutet, beide Außenplatten sind mit ihrer kompletten Innenseite fest mit der porösen Oberflächenstruktur der Zwischenplatte verbunden. Nur an den Stellen, wo sich an der Zwischenplattenoberfläche offene Poren befinden, wird logischerweise keine Verbindung möglich sein. Jedoch ist die Porenstruktur so fein, dass auch das die Poren umgebende Netz, bestehend aus einer unendlichen Zahl von Stegverbindungen aus starrem und stabilen Material, unendlich fein ist, und eine dementsprechend dichte und feste Oberfläche bildet, die mit den Außenplatten fest verbunden ist. Das gleiche Netzwerk offener und miteinander verbundener Poren bzw. Stegverbindungen befindet sich auch im Inneren der Zwischenplatte, sodass sichergestellt ist, dass das Wärmeträgermedium ausschließlich durch den entsprechend offenen Querschnitt der Zwischenplatte strömen kann, und alle Stellen innerhalb und am Rand der Außenplatten erreicht. Somit sind die Außenplatten über ein unendlich feines Netzwerk von Verbindungsstegen festen und starren Materials miteinander auf Abstand gehalten und verbunden. Die Form, Dichte, und Größe der Poren und das entsprechende Netzwerk von Stegverbindungen kann über die Rezeptur oder Machart der Füllmasse und wie sie verarbeitet wird, eingestellt werden. Mit dieser erfinderischen Lösung kann nun zur Verbesserung des nachteilig genannten Standes der Technik ein sehr effektiver und in der Herstellung kostengünstiger Solarwärme-Flachkollektor auf der Grundlage der einfachen Platten-Wärmetauschertechnik realisiert werden, ohne das sich massive hinderliche Einbauten im Strömungsraum des Kollektors befinden. Durch den festen und flächigen Plattenverbund behalten die Außenplatten auch bei Innendruck ihre Form. Und insbesondere die der Sonne zugewandte Außenplatte bleibt für die Aufnahme der Wärme bzw. für deren Absorption aus den Sonnenstrahlen absolut eben. Zudem wird die absorbierte Wärme über die damit erst mögliche, möglichst dünne Plattendicke auf dem schnellsten Weg direkt an das Wärmeträgermedium abgegeben. Unter Umständen kann dieser Kollektor aufgrund seiner erfinderisch bedingten großen Stabilität auch unter Vakuum betrieben werden, und hält ggf. auch einer Verdampfung des Wärmeträgermediums bei dem damit bekanntlich gegebenen höheren Druck stand. Je nach der weiteren Beschaffenheit der Zwischenplatte kann auch eine effektive Vergrößerung der Wärmetauscherfläche zusätzlich nutzbar gemacht werden, indem die Wärme von der Außenplatte in das filigrane Verbindungsnetz der Zwischenplatte eindringt, und sich dementsprechend im Strömungsraum räumlich verteilt und vom Wärmeträgermedium aufgenommen wird. Auch wird die ungewollte, jedoch nicht ganz zu vermeidende Wärmespeicherung in dieser Zwischenplatte auf ein Minimum reduziert, weil die Porosität die Masse der Platte gegenüber einer entsprechend nicht-porösen Platte um bis zu 90% reduziert. Je nach Kollektorkonzept und Beschaffenheit der sonnenzugewandten Außenplatte kann die Zwischenplatte selbst auch als Absorber dienen. In diesem Fall kann die entsprechende Außenplatte im Prinzip gleichzeitig als Abdeckplatte für den Kollektor fungieren und sollte dann für die Sonnenstrahlen durchlässig sein. Die andere Außenplatte dient als Rückseite des Kollektors. Um jetzt daraus einen betriebsfertigen Sonnenkollektor zu machen, muss die Verbundplatte bzw. ihr aus den beiden Außenplatten gebildeter Strömungsraum noch umlaufend druckdicht verschlossen und mit einem Zu- und Ablauf für das Wärmeträgermedium angeschlossen werden. Die Dicke der Verbundplatte kann variiert werden, dementsprechend wie dick die Zwischenplatte ausgeführt ist. Demnach wird die Zwischenplatte danach ausgelegt, ob ein volumetrischer oder sehr flacher Flachkollektor gebaut werden soll. Dieses Plattenkonstrukt kann sodann mit allen noch zusätzlich gemäß dem Stand der Technik erforderlichen Baukomponenten einfach komplettiert werden. Das Ganze gehörte im Prinzip dann noch in einen wärmegedämmten Kollektorkasten, der u. U. zur Sonnenseite hin dann noch mal mit zumindest einer sonnendurchlässigen Abdeckplatte abgedeckt und abgedichtet ist.
Die vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Füllmasse gemäß Hauptanspruch 1 wird in Unteranspruch 2 näher beschrieben, indem diese ein Werkstoff ist, der zumindest aus einer gießbaren bzw. verfüllbare Masse besteht, die nach ihrer Verarbeitung, d. h. nach ihrer endgültigen Aushärtung zu einer Zwischenplatte mit einer Materialstruktur in Form eines offenzelligen und regel- oder vorzugsweise unregelmäßig dreidimensional, d. h. räumlich vernetzten Körpers geworden ist. Die vorgenannte näher beschriebene Ausbildung der Materialstruktur war für diesen Zweck, bzw. bezogen auf den Erfindungsgegenstand bislang unbekannt, und ermöglicht erst eine Zwischenplatte mit den beanspruchten Eigenschaften, Formen und Funktionen. Diese Definition steht stellvertretend für alle grundsätzlich möglichen, auch für diese Erfindung geeigneten porösen Formen der Füllmasse bzw. Baustruktur der Zwischenplatte dieser Art. Denn das Gebiet der Leichtbaustoffe, wozu insbesondere auch poröse Stoffe gehören, stehen erst am Anfang der Entwicklung, sodass diesbezüglich auch für diesen Zweck künftig sicherlich noch geeignetere und wirtschaftlicher herstellbare Werkstoffe gefunden werden werden. Als gießbare bzw. verfüllbare Füllmasse vor der Verarbeitung kann sowohl eine flüssige oder pastöse, jedoch auch jede andere schüttfähige Masse gemeint sein. Zum Beispiel sind hierfür auch schüttbare Partikel oder Pulver aus der Pulvermetallurgie bekannt, die nun auch für diesen Zweck eingesetzt werden können. Solche porösen Strukturen werden bekanntlich schon auf die unterschiedlichste Weise für andere Anwendungen hergestellt. Besonders eignen sich für diesen Zweck unregelmäßig vernetzte Materialstrukturen, jedoch sind diese noch nicht immer bzw. oft nur aufwendig und teuer mit bestimmten Werkstoffen herstellbar, sodass bis dahin auch regelmäßig vernetzte Materialstrukturen den Zweck erfüllen können.
Die Materialstruktur der Zwischenplatte gemäß Anspruch 3 kann außerdem aus einem oder mehreren unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, die grundsätzlich homogener oder inhomogener Art sein können. Dies kann z. B. mit einer inhomogenen gießbaren Masse aus Partikeln geschehen, die mit einem Bindemittel benetzt sind und sich nach der Aushärtung des Bindemittels nur an ihren Berührungspunkten miteinander starr und stabil verbinden. Homogene Massen dagegen werden meist noch im flüssigen Zustand z. B. mit pulvrigen Additiven, sogenannten Luftporenbildnern, die mit Wasser entsprechend reagieren oder sich erst bei Erhitzung aktivieren, oder durch direktes Einblasen von Luft oder Einmischen von Luftblasen mit der gewünschten Porosität ausgestattet. Diese Verfahren sind nun im Prinzip auch für diesen Zweck anwendbar, sodass auf diese, und auf andere Weise die verschiedensten Werk- und Baustoffe dieser Erfindung zur Verfügung stehen. Und dies kann gemäß Anspruch 5 auch in schaumartiger Form z. B. durch Hinzufügung eines Schaumbildners oder durch die direkte Einmischung eines Schaums in die noch flüssige Masse des Werkstoffs geschehen. Jedoch kann auch Pulver unter Druck eine Schaumentwicklung erzeugen. Nur offenporige Schäume sind für diese Erfindung geeignet. Es gibt aber auch unterschiedliche Methoden aus der Hüttentechnik. Zum Beispiel können über bestimmte Feinguss- und Sinterverfahren solche Strukturen geschaffen werden, die aber sehr teuer sind.
Eine weitere bekannte Methode ist das Platzhalterverfahren. Hierzu wird vorher eine offenporöse Struktur z. B. aus Kunststoffschaum als Platzhalter bzw. Formvorgeber vorgefertigt. Diese Struktur wird dann erst mit dem eigentlichen für den Zweck bestimmten Werkstoff beschichtet. Dieses Verfahren ist auch relativ aufwendig und teuer. Aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten solcher Schäume bzw. porösen Strukturen geht die Entwicklung immer werter. Ein kostengünstigeres Verfahren besteht darin, einen Füllstoff mit dem entsprechenden Werkstoff zu umgießen oder den Füllstoff in den flüssigen Werkstoff einzumischen. Der Füllstoff wird dann nach Aushärtung des eigentlichen Strukturwerkstoffs wieder rückstandsfrei durch Austreibung oder Lösung entfernt.
Die für die Erfindung geeignete Struktur kann somit sowohl mit einem Werkstoff in einem Prozess geschaffen werden, jedoch kann die Struktur auch gemäß Anspruch 4 schichtweise aufgebaut sein. Das bedeutet aber, dass auch eine vorher schon vorhandene, d. h. z. B. eine Platzhalterstruktur schichtweise weiter aufgebaut und verstärkt sein kann. Dies kann in Form mindestens einer Beschichtung mit demselben oder unterschiedlichen Werkstoffen geschehen. Dickere Schichten sind eher für den Materialaufbau sinnvoll, dünnere Schichten mehr für die entgültige dünnere Beschichtung der inneren und äußeren Oberfläche der Materialsstruktur geeignet. Für einen solchen nachträglichen Schichtaufbau gibt es wiederum spezielle, und schon bekannte, jedoch dann auch für diesen Zweck anwendbare Verfahren. Zu nennen sind hier die Bad-, Pulver-, und Spritz- oder Dampfbeschichtung. Auch Strukturen, die nicht mit dem Platzhalterverfahren hergestellt wurden, können nachträglich noch mal mit einem Werkstoff nach Wunsch in der Materialdicke aufgebaut oder mit speziellen Beschichtung ausgestattet werden. Die erfinderische Füllmasse und damit der Materialaufbau der Zwischenplattenstruktur ist demnach in allen ihren Bestandteilen und Werkstoffen vor und entsprechend dem Herstellprozess während der Verarbeitung einstellbar. Zum Beispiel kann für die grundsätzliche bzw. tragende Materialstruktur ein entsprechend stabiler und besonders wärmeleitfähiger und gegenüber dem Wärmeträgermedium korrosionsbeständiger Werkstoff, und als abschließende Beschichtung ein besonders für die Absorption von Sonnenstrahlen geeigneter Werkstoff gewählt werden. Letzteres wird gemäß Anspruch 6 konkreter beansprucht.
Hierzu kann der Werkstoff der gesamten erfinderischen Struktur oder nur die abschließende Beschichtung dunkel eingefärbt oder pigmentiert sein. Bekanntlich ist eine tiefschwarze und zugleich matte Oberfläche sehr gut für eine bestmögliche Absorption von Sonnenstrahlen geeignet, aber auch andere diesbezüglich inzwischen entwickelte und künftig noch kommende Verfahren sind dann auch für diesen Zweck vorteilhaft anwendbar. Zum Erhalt einer matten Oberfläche kann auch der Werkstoff bzw. die Beschichtung abschließend mechanisch, z. B. durch Aufrauung, bearbeitet sein. Eine Aufrauung ist sehr gut z. B. über Sandstrahlung oder chemische Behandlung durchführbar.
Jedoch letztendlich wichtig für diese Erfindung ist nur, dass die Zwischenplatte einen für diesen Zweck geeigneten porösen Körper bestehend aus einer offenen Materialstruktur der genannten grundsätzlichen Art aufweist. Diese Materialstruktur hat vorzugsweise eine unregelmäßige dreidimensional vernetzte Struktur aus feinsten Stegverbindungen. Wie gesagt, auch eine regelmäßige Struktur ist aus fertigungstechnischen Gründen akzeptabel. Auch die Stegquerschnitte können untereinander unterschiedliche unregelmäßig Formen haben. Bei regelmäßigen Strukturen ist dies meist nicht der Fall, jedoch können solche Strukturen hierfür noch mal nachträglich z. B. in einem Schmelzbad tauchbeschichtet werden. Je nachdem wie die Schmelze beim wiederherausheben aus dem Bad aus der Zwischenplattenstruktur bei gleichzeitigem Erkalten und Festwerden herausfließt, bilden sich um die regelmäßigen Stegquerschnitte unregelmäßige Oberflächenformen. Von rund bis flach, dick und dünn und mehrfach scharfkantig etc. ist alles denkbar. Diese Struktur ist so stabil, dass sie ähnlich einer massiven Platte mechanisch bearbeitet und mit anderen Bauteilen lösbar und nicht lösbar verbunden werden kann. Die erfinderische Materialstruktur der Zwischenplatte besteht somit gemäß Anspruch 7 aus einem konstruktiven Verbindungssystem, dass alle Trag- und Verbundkräfte für den stabilen Verbund mit den Außenplatten an den unzähligen gleichmäßig geordnet oder ungeordnet verteilten Stellen der Fläche aufnimmt und in die gesamte räumliche Materialstruktur weiterleitet, indem sie dort dreidimensional nochmal aufgeteilt werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik, wo bei Innendruck im Kollektor, der flächig an den Außenplatten anliegende Druck bzw. die entsprechende Kraft nur über einzelne relativ massive Noppen, d. h. über einzelne Punktverbindungen oder Stege, oder längsseitig mit den Außenplatten verbundenen Stegen, d. h. über einzelne leistenförmige Linienverbindungen aufgeteilt und abgefangen werden konnte, hat die erfindungsgemäße Konstruktion den Vorteil, das diese Kraft weitestgehend vollflächig, d. h. über die Plattenfläche unendlich verteilte kleinere Teilkräfte an die Zwischenplatte übertragen wird, und dann noch mal in deren innerer Vernetzung räumlich verteilt und aufgeteilt wird. Übrig bleibt eine sehr kleine Teilkraft, die problemlos von einem der feinen Verbindungsstege des Netzwerks aufgenommen werden kann. Jeder einzelne Steg kann aufgrund seiner starren und stabilen Füllmasse auf Zug-, Druck-, und Biegung belastet werden. Damit wird nachvollziehbar, wie stabil und verformungssteif letztendlich die ganze Verbundplatte ist, sodass für diesen Zweck bei gleicher Festigkeit vergleichsweise viel dünnere Materialdicken zur Ausführung kommen können. Dies gilt für die massiven Außenplatten wie für die Dichte der Materialstruktur der Zwischenplatte. Dies trägt u. a. gerade bei den immer knapper werdenden Rohstoffreserven auch zur Gewichtsreduzierung und Kosteneinsparung beim Material bei.
Desweiteren weist die Materialstruktur eine einstellbar, sehr feine und dichte Vernetzung von Stegverbindungen auf, sodass damit eine sehr große innere Oberfläche relativ zur Masse geschaffen wird. Außerdem können aufgrund der im Anspruch 2 bis 5 und 7 schon näher beschriebenen Eigenschaften auch leichtere und weichere bzw. weniger zug- und biegefeste Werkstoffe eingesetzt werden, wie z. B. Kupfer oder Aluminium, die aber dafür bekanntlich eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit haben. Diese weiteren Eigenschaften, große Oberfläche, kleine Masse, und gute Wärmeleitfähigkeit, sind bekanntlich die Grundvoraussetzung für eine schnelle und effektive Wärmeübertragung. Die erfindungsgemäße besondere Struktur der Zwischenplatte ermöglicht somit, entweder alleine oder zusammen mit mindestens einer der Außenplatten als Absorberplatte, gegenüber dem Stand der Technik eine erhebliche Vergrößerung der Wärmetauscherfläche, sodass die Zwischenplatte gemäß Anspruch 8 zu einem idealen alleinigen oder zusätzlichen Wärmetauscher wird.
Nicht zuletzt muss ein guter Wärmetauscher auch noch über ein dafür geeignetes Strömungssystem verfügen. Auch hierfür ist gemäß Anspruch 9 die zuvor schon näher beschriebene erfinderische Konstruktion der Materialstruktur bestens geeignet.
Über die gleichmäßige verteilte, jedoch vorzugsweise unregelmäßig ausgebildete dreidimensionale Porenstruktur ist nachgewiesenermaßen eine gute Durchströmung mit einem Wärmeträgermedium möglich. Grundsätzlich sind auch regelmäßig ausgebildete Porenstrukturen denkbar, diese stellen aber einen für eine optimale Verteilung und Verwirbelung des Wärmeträgermediums nicht so guten Strömungskörper dar. Der offene Querschnitt ist über die ursprüngliche Füllmasse und das weitere Verarbeitungsverfahren bzw. die Herstellweise der Zwischenplatte nach den Anforderungen einstellbar, sodass der gewünschte Volumenstrom auch strömen und die dementsprechend aufgenommene Wärmemenge einer Nutzung effektiv zugeführt werden kann. Hinzu kommt eine ideale, d. h. gleichmäßige Verteilung und Verwirbelung der Strömung innerhalb der gesamten Materialstruktur bzw. des Zwischenplattenraumes bei vergleichsweise geringen Strömungswiderständen. An jedem feinen Verbindungssteg der Netzstruktur entstehen beim Umströmen Druckwechsel in der Strömung mit einer entsprechenden Änderung der Strömungsgeschwindigkeit und einhergehender Verwirbelung. Dies sind zusätzliche ideale Eigenschaften für eine schnelle und effektive Wärmeübertragung. Abhängig ist das Ganze noch von der systembedingt grundsätzlich ausgelegten Strömungsgeschwindigkeit. Ein geschlossenes Pumpensystem wird bekanntlich eine andere Strömungsgeschwindigkeit als ein Schwerkraft oder ein sogenanntes Low-Flow-System haben. Alle diese Systeme sind mit dieser Erfindung in vorteilhafter Weise zu betreiben.
Diese Erfindung ermöglicht somit nicht nur eine Außenplatte, die ihre komplette Fläche aufgrund ihrer sichergestellten Ebenheit zur uneingeschränkten Absorption der Sonnenstrahlen nutzen kann, sondern auch eine Zwischenplatte, die in erster Linie einen vorteilhaften Verbund mit den beiden Außenplatten herstellt, und in zweiter Linie eine Erweiterung und Verbesserung der Wärmetauscherfläche und damit der Wärmeübertragung bewirkt.
Die erfinderische Zwischenplatte hat jedoch noch einen weiteren Vorteil gegenüber dem Stand der Technik. Sie kann den wie folgt gemäß Anspruch 10 bis 12 beanspruchten Varianten unter bestimmten Bedingungen zusätzlich auch zur Verbesserung der Absorption der Sonnenstrahlen dienen. Voraussetzung hierfür ist aber, dass eine der Außenplatten, nämlich die der Sonnenseite zugewandte Platte für die Son nenstrahlen durchlässig ist, sodass die Sonnenstrahlen durch die Außenplatte weitestgehend ungehindert und ohne Reflexion hindurchdringen und auf die direkt dahinter befindliche Zwischenplatte und das darin strömende Wärmeträgermedium auftreffen kann. Der Vorteil dieser Varianten ist, dass gegenüber dem Stand der Technik die Absorption der Sonnenstrahlen und die entsprechende Wärmeübertragung an das Wärmeträgermedium nicht mehr von einer massiven Außenplatte, sondern von der Zwischenplatte zwischen den beiden Außenplatten übernommen wird. Das bedeutet, die bislang nachteiligen Wärmeverluste bei Verwendung einer äußeren Absorptionsplatte entfallen, und der Weg der Wärmeübertragung wird kürzer und damit schneller. Auch wird der Aufbau des gesamten Flachkollektors einfacher und flacher und leichter, und dementsprechend kostengünstiger, weil anstatt z. B. einer bisher notwendigen Absorber-Außenplatte aus Aluminium dafür die Abdeckplatte des Flachkollektors aus Solarglas verwendet werden kann. Somit kann künftig eine Platte des bisherigen konventionellen Flachkollektoraufbaus eingespart werden. In einer ersten Variante ist die Zwischenplatte gemäß Anspruch 10 für die Sonnenstrahlung undurchlässig. Diese Eigenschaft ist dann gegeben, wenn gemäß Anspruch 3, 4 und 6 der Werkstoff oder die zusätzliche Beschichtung der Zwischenplatte für die Sonnenstrahlung undurchlässig und in diesem Fall besonders leistungsfähig für die Absorption ausgeführt ist, und die Materialstruktur bzw. die Porosität so fein ist, dass die Sonnenstrahlen über die offenen Poren nicht nennenswert tiefer als bis zur körperlichen Oberfläche der Zwischenplatte in diese eindringen können. Bei dieser Variante wird die Wärme aus den Sonnenstrahlen im wesentlichen schon an der Verbindungsfläche zwischen Außen- und Zwischenplatte absorbiert und dort sowohl unmittelbar, als auch über die Materialstruktur der Zwischenplatte durch Wärmeleitung räumlich an das Wärmeträgermedium abgegeben.
Anspruch 11 beschreibt in einer zweiten Variante eine Zwischenplatte, die für die Sonnenstrahlung durchlässig ist. In diesem Fall muss zumindest der Werkstoff auch der Zwischenplatte für die Sonnenstrahlen durchlässig sein. Die Absorption findet dann entweder in erster Linie direkt im Wärmeträgermedium oder auf der Innenseite der hinter der Zwischenplatte befindlichen Außenplatte statt. Die erfinderische Zwischenplatte dient in diesem Fall vorrangig nur als konstruktives Verbindungselement zwischen den Außenplatten. Soll die Absorption vorrangig im Wärmeträgermedium stattfinden, muss das Wärmeträgermedium bzw. das Kühlwasser gemäß Anspruch 40 bis 42 konditioniert sein, damit die Sonnenstrahlen auf den strömenden, sich in den Wasserpartikeln befindlichen dunklen Farbeilchen oder Pigmenten auftreffen und dort absorbiert werden können. Die absorbierte Wärme befindet sich damit sogleich unmittelbar im Wärmeträgermedium und auf dem Transport zur Wärmenutzung. Diese Variante hat praktisch keine feste Wärmetauscherfläche und keine dementsprechenden Verluste mehr, und dürfte somit wohl die effektivste und gleichzeitig wirtschaftlichste Betriebsform für einen thermischen Solar-Flachkollektor bedeuten, was auf diese optimierte und konsequente Weise erst durch die erfinderische Zwischenplatte ermöglicht wird. Die entsprechende Konditionierung des Wärmeträgermediums ist problemlos über eine Dosieranlage möglich. Das heißt, mit einer Dosieranlage kann die Intensität z. B. der Schwarzfärbung oder -pigmentierung des Wassers eingestellt werden. Die Absorption direkt in einem entsprechend eingefärbten oder pigmentieren Wasser ist nicht neu, bedarf aber noch der weiteren Erforschung und Erprobung, und wurde in Verbindung mit den Vorteilen der erfinderischen Zwischenplatte noch nicht eingesetzt.
Soll die Absorption hauptsächlich auf der Innenseite der rückwärtigen Außenplatte erfolgen, dann muss selbstverständlich auch das Wärmeträgermedium lichtdurchlässig, d. h. entsprechend sehr klar sein und auf Dauer bleiben. Dies kann durch einen entsprechenden Wasserfilter sichergestellt werden. Die Innenfläche der rückwärtigen Außenplatte sollten dann dafür auch ähnlich wie im Anspruch 6 zusätzlich für die Absorption von Licht besonders gut aufnahmefähig hergerichtet sein. Auch diese Variante hat den Vorteil des geringeren Wärmeverlustes, weil die Absorption auf der tiefsten Fläche im Strömungsraum des Kollektors erfolgt, und dieser von seiner Rückseite her schon allein konstruktionsbedingt sehr gut wärmegedämmt ist, und die aufgenommene Wärme auf der anderen Seite direkt vom Wärmeträgermedium aufgenommen und abtransportiert wird. Diese Variante könnte als Untervariante alternativ auch eine rückwärtige Außenplatte mit einer reflektierenden bzw. sehr hellen Innenoberfläche haben. Dann müsste das Wärmeträgermedium gleichfalls gemäß Anspruch 40 bis 42 speziell konditioniert sein, jedoch so dosiert sein, dass die Sonnen strahlen teilweise bis auf die rückwärtige Außenplatte durchdringen können, dort reflektiert und wieder in das Wärmeträgermedium zurückgestrahlt werden.
Als dritte Variante gemäß Anspruch 12 ist die Zwischenplatte für die Sonnenstrahlung nur teilweise durchlässig ausgeführt. Diese Variante ist sinnvoll, wenn die Sonnenstrahlen nicht gänzlich über die äußere Oberfläche des Zwischenplattenkörpers aufgenommen werden, sondern vorrangig über die offenen Poren tiefer in die Materialstruktur der Zwischenplatte eindringen, dort noch mal mehrmals innerhalb der Materialstruktur dreidimensional reflektiert, und schließlich räumlich über die innere Oberfläche absorbiert werden sollen. Dies kann natürlich nur im Rahmen der recht flachen Kollektorbauhöhe und bei einem gleichfalls lichtdurchlässigen Wärmeträgermedium erfolgen. Jedoch müssten je nach Dicke der Zwischenplatte die Poren hierzu größere Öffnungen haben und tiefer in die Materialstruktur hineinverlaufen, was wie gesagt über die Füllmasse und deren Verarbeitung einstellbar ist. Auch in diesem Fall sollte entweder von vornherein schon der Werkstoff oder zumindest die nutzbare Absorberfläche für die Absorption gemäß Anspruch 6 besonders ausgeführt oder zusätzlich bearbeitet sein.
Es ist natürlich auch vorstellbar eine Kombination aus den vorgenannten drei Ansprüchen in jeweils mehr oder weniger konsequenter Ausführung zu realisieren, was letztendlich eine Optimierung bedeuten kann.
Um die vorgenannten beanspruchten Eigenschaften, Aufgaben und Funktionen der erfinderischen Materialstruktur der Zwischenplatte erfüllen zu können, kann wie gemäß Anspruch 3 schon erwähnt die Materialstruktur zwar aus einem oder mehreren Werkstoffen bestehen, jedoch sind für diesen Zweck bestimmte Werkstoffe bzw. Werkstoffgattungen besonders vorteilhaft, und werden, auch wenn sie grundsätzlich oder aus anderen Anwendungen bekannt sind, in Verbindung mit dem Erfindungsgegenstand wie folgt zusätzlich beansprucht.
Gemäß Anspruch 13 kann die Materialstruktur aus einem organischen Werkstoff bestehen. Dies kann auch ein Kunststoff sein, wenn er die für die Umsetzung der Er findung erforderlichen Eigenschaften mitbringt. Zumindest sind Kunststoffe als Hilfsstoffe, oder Platzhalter oder Füllstoffe für die Herstellung von porösen Baustrukturen bekannt, die erst anschließend mit dem (den) eigentlichen, für die Erfindung bestimmten Werkstoffe(n) beschichtet oder umgossen werden. Der Hilfsstoff wird dann wieder entfernt, und zurück bleibt z. B. die erfinderische Materialstruktur der Zwischenplatte.
Unabhängig davon könnte als möglicher geeigneter organischer Werkstoff Kohlenstoff, gemäß Anspruch 14, in Frage kommen, weil dieses Material grundsätzlich sehr fest und hochtemperaturbeständig ist, und auch schon in offenporöser Form für andere Anwendungen zur Verfügung steht. Jedoch ist Kohlenstoff ein elementarer Stoff, der bislang nur relativ aufwendig und teuer zu gewinnen ist. Zudem kann z. Z. nur eine extrem hochporöse Variante in Form eines Kohlenstoffschaums sehr aufwendig und teuer hergestellt werden, die daher bislang nur im Hochtechnologiebereich und zu Laborzwecken in kleineren Mengen zur Anwendung kommt. Jedoch könnte dieser Werkstoff insbesondere aufgrund seiner matten und tiefschwarzen Farbe künftig für die weitere Optimierung der Erfindung zumindest als Werkstoff gemäß Anspruch 4 und 6 vorteilhaft zum Einsatz kommen, wenn er als nachträgliche und abschließende dünne Beschichtung der Materialstruktur verwendet wird, und in Form der erfinderischen Zwischenplatte mit der zusätzlichen Funktion eines Absorbers gemäß Anspruch 10 und 12 eingesetzt wird. Damit könnte man die Vorteile dieses Werkstoffes nutzen, jedoch die Menge des benötigten Werkstoffs und damit die Kosten auf ein Minimum reduzieren. Für eine komplette Herstellung der Zwischenplatte aus diesem Material müsste dagegen noch eine einfachere und wirtschaftlichere Gewinnungs- und Verarbeitungsmethode gefunden werden.
Der bevorzugte Werkstoff wird jedoch für diesen Zweck nach derzeitigen Erkenntnissen voraussichtlich gemäß Anspruch 15 ein anorganischer Werkstoff sein, da diese Stoffe unter Druck und höheren Temperaturen zumeist beständiger und stabiler sind. Insbesondere kommen hierfür gemäß Anspruch 16 mineralische und gemäß Anspruch 17 metallische Werkstoffe in Frage.
Glas ist schon lange ein ganz wichtiger Werkstoff auch im Sonnenkollektorbau, wurde jedoch bisher bei Flachkollektoren nur als massive Platte für die Außen- und Abdeckplatten verwendet. Bekannt als Solarglas oder Reflexglas wird ein besonders gut für die Sonnenstrahlung durchlässiges Glas eingesetzt, dass zusätzlich auf der Oberfläche noch beschichtet oder anderweitig bearbeitet sein kann, um so viel wie möglich Strahlung durch zu lassen, aber so wenig wie möglich Strahlung und damit Wärme wieder herauszulassen bzw. zu reflektieren. Die eigentliche Absorption und Wärmeübertragung der Sonnestahlen findet dahinter auf oder im Kollektor statt. Auch keramische Werkstoffe kommen schon im Sonnenkollektorbau zum Einsatz, jedoch sind sie, weil sie lichtundurchlässig jedoch relativ gut wärmeleitend sind, eher als Absorptions- und Wärmetauschermittel in volumetrischen Sonnenkollektoren in großen zentralen Sonnenkraftwerken zu finden. Auch gibt es diesen Werkstoff schon in poröser Ausführung, jedoch ist die Herstellung, insbesondere dann wenn damit größere und relativ sehr flache Platten produziert werden sollen, sehr aufwendig und teuer.
Eine Zwischenplatte der erfinderischen Art ist demnach mit diesen Werkstoffen bisher noch nicht bekannt, sodass eine mit diesen Werkstoffen hergestellte Zwischenplatte neue und innovative Perspektiven für den Bau künftiger solarthermischer Flachkollektoren eröffnen wird. Glas ist in diesem Fall sicherlich künftig weiterhin eine interessante Option, wenn damit die Aufgabe gemäß Anspruch 11 erfüllt werden kann, jedoch befinden sind diesbezüglich offenporige Lösungen derzeit noch im Entwicklungsstadium, stehen also dem Markt noch nicht grundsätzlich zur Verfügung, und haben auch noch nicht die für diesen Einsatz optimale lichtdurchlässige Qualität. Dies ist aber nur eine Frage der Zeit. Entsprechendes gilt für transparente Kunststoffe. Unabhängig davon ist Glas oder ein entsprechender Kunststoff ein schlechter Wärmeleiter und sollte von daher schon nicht zusätzlich als Wärmetauscher, bzw. erweiterte Wärmetauscherfläche eingeplant werden.
Auch elf erfindungsgemäße Zwischenplatte aus einem porösen Keramikwerkstoff ist durchaus denkbar. Denn damit wäre die Zwischenplatte neben der konstruktiven Aufgabe zusätzlich auch noch als Absorber- und Wärmetauscherplatte einsetzbar.
Das Material könnte sehr gut auch in dunkler und matter Farbe hergestellt oder damit nachträglich beschichtet werden. Wie gesagt, hierfür muss die Forschung noch geeignetere, d. h. wirtschaftlichere Herstellverfahren finden.
Auch sind mineralische Werkstoffe grundsätzlich für den weiteren Schichtaufbau von vorhandenen bzw. Platzhalterstrukturen, oder zur abschließenden Beschichtung für eine bessere Absorption der Sonnenstrahlen geeignet, und können daher für den diesbezüglichen, auf den Erfindungsgegenstand bezogenen Einsatz ins Auge gefasst werden. Gerade bei mineralischen Werkstoffen ist eine Verarbeitung in Pulverform sehr einfach und bekannt, wenn man z. B. an mineralisch gebundene Baustoffe denkt. Als mineralische Binder kommen grundsätzlich alle konventionellen Formen von Kalk, Zement, und Hüttensand etc. in Verbindung mit Wasser in Frage. Die entsprechenden Verarbeitungssuspensionen müssten nur auf diesen erfindungsbezogenen Zweck hin speziell eingestellt werden, und sind auch sehr gut zusätzlich z. B. mit Eisenoxid einzufärben oder zu pigmentieren. Wird z. B. ein Basaltpulver bzw. ein sogenanntes Basaltmehl mitverarbeitet, können damit bekanntlich ultrahochfeste Betone hergestellt, und ähnlich wie mit Stahl äußerst stabile und filigrane Tragwerke gebaut werden. Eine damit hergestellte Zwischenplattenstruktur hätte noch dazu eine relativ gute Wärmeleitfähigkeit. Und Basalt ist sehr beständig und hat auch grundsätzlich eine schwarze bis dunkelgraue Farbe, die ideal für die Absorption von Sonnenstrahlen geeignet ist.
Auch Schaumbetone entsprechend Anspruch 5 sind bekannt, jedoch liegen diese bislang nur in geschlossenporiger Form vor. Es soll aber derzeit die Entwicklung einer strapazierfähigen offenporigen Version für die Verwendung als Drainagebeton z. B. für den Bau von Tennisplätzen geben. Hier wird man also auch noch auf spezielle, auf diese Anwendung hin geeignete Rezepte warten müssen.
Metalle gemäß Anspruch 17 sind wohl nach derzeitigen Erkenntnisse für diesen Zweck am besten geeignet. Sie werden im Flachkollektorbau zwar schon als Zwischenplatte, jedoch wie schon eingangs zum nachteiligen Stand der Technik näher ausgeführt, nur als profiliertes massives Zwischenblech verwendet, und dienen aufgrund nur einzelner vorhandener Noppen- oder Stegverbindungen nur sehr einge schränkt dem Plattenverbund. Dagegen ist eine Zwischenplatte gemäß der Erfindung mit einer entsprechenden Materialstruktur aus Metall bislang neu und erfinderisch, und dürfte dem Flachkollektorbau zu neuen innovativen Lösung verhelfen. Es stehen aus anderen Anwendungen die unterschiedlichsten Metallwerkstoffe und Verarbeitungsformen zur Verfügung. Vorrangig kommen für die erfindungsbezogene Anwendung nur Metalle in Frage, die sehr leicht und/oder eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit haben, und gegenüber dem Wärmeträgermedium korrosionsbeständig sind. Diese Eigenschaften haben gemäß Anspruch 18 insbesondere Aluminium und Kupfer und deren Legierungen. Grundsätzlich sind aber auch andere Metalle unter dem Aspekt der Verfügbarkeit und einer wirtschaftlichen Gesamtkonzeption eines Flachkollektors denkbar. Einfache und preiswerte Eisenmetalle dürften aber aufgrund ihrer eingeschränkten Korrosionsbeständigkeit weniger in Frage kommen. Grundsätzlich können Metalle in letzter Zeit schon in offenporöser Form hergestellt werden, jedoch ist eine entsprechende Anwendung und spezifische Ausführungsform in Bezug auf diese Erfindung bislang nicht bekannt. Insbesondere schaumartige Metalle bieten für diesen Zweck nahezu alle geforderten und genannten Eigenschaften, und müssen nur darauf hin speziell eingestellt werden. Über die verschiedenen Herstellformen wurde schon weiter oben in der Beschreibung näher eingegangen. Eine aus Metall bestehende schaumartige Struktur in Form eines offenzelligen und regel- oder unregelmäßig dreidimensional ausgehärteten Plattenkörpers kann aus einem Metallwerkstoff, oder wenn dieser oder eine entsprechende Platzhalterstruktur nachträglich beschichtet wird, auch aus mehreren Metallwerkstoffen bestehen. Eine abschließende Beschichtung der Metalloberfläche zur Verbesserung der Absorption der Sonnenstrahlen ist problemlos möglich. Der Nachteil bei den bisherigen Herstellmethoden ist jedoch, dass sie immer noch recht aufwendig und teuer sind, und nur die Herstellung relativ kleiner Platten ermöglichen.
Eine besonders vorteilhafte, d. h. eine vergleichsweise einfache und kostengünstige Ausführungsform der Materialstruktur der Zwischenplatte wird in Anspruch 19 derart angemeldet, dass die offenzellige und regelmäßig oder unregelmäßig oder wirr angeordnete dreidimensional vernetzte Struktur eines entsprechend in Form gebrach ten Körpers aus z. B. verhakten Metalldrähten oder -fasern, oder Kunststoff-, oder Mineral- oder Glasfasern zusätzlich von einem oder mehreren Werkstoff(en), oder insbesondere von Metall oder Aluminium oder von Kupfer umhüllt, oder entsprechend beschichtet ist. Denn nach der Aushärtung des Werkstoffs ist jede(r) einzelne Faden, Draht, oder Faser separat in einen starren und stabilen Mantel eingegossen, und alle Kreuzungspunke in der woll- oder textilartigen bzw. filzartig verhakten offenenporigen Struktur fest miteinander verbunden.
Diese Ausführungsform kann für alle dafür geeigneten Werkstoffe gelten. Wird eine Drahtstruktur gewählt, sind insbesondere aufgrund der weitestgehend gleichen Werkstoffaffinität metallische Werkstoffe zur Beschichtung gut geeignet. Ein derartiger flacher Drahtkörper bzw. eine solche Drahtplatte kann sehr einfach mit der benötigten Drahtdichte vorgefertigt werden, und braucht zur Beschichtung nur noch anschließend z. B. in ein entsprechendes Bad mit einer Metallschmelze kurz eingetaucht werden. Auch andere Beschichtungsverfahren sind denkbar. Auf diese Weise können auch ausreichend große Zwischenplatten hergestellt werden. Die ideale Werkstoffkombination wäre für diesen Zweck aufgrund der bestmöglichen Wärmeleitfähigkeit z. B. Kupfer-Kupfer, d. h. eine Struktur aus Kupferdraht, die zusätzlich mit Kupfer umgeben und verstärkt ist. Ggf. kann noch eine nachträgliche schwarze Beschichtung aus z. B. Kohlenstoffpulver erfolgen.
Diese Strukturen, sofern sie auf den speziellen Bedarf hin ausgebildet sind, erfüllen bis dato alle Anforderungen bzgl. Stabilität, Wärmeleitfähigkeit bei entsprechend geringer Wärmespeicherfähigkeit, Durchströmbarkeit, oder einer mehr oder weniger gewünschten Durchlässigkeit für die Sonnenstrahlung. Letzteres hängt ab von der gewählten Metalldichte. In diesem Zusammenhang ist einer regelmäßig vernetzten Struktur, wie man sie von gewebeartigen Strukturen her kennt, die unregelmäßig vernetzte Struktur, wie man sie von dementsprechenden wollartigen Haufwerken oder filzartigen Strukturen her kennt, vorzuziehen, weil unregelmäßige Struktur das Wärmeträgermedium in der Zwischenplatte strömungstechnisch optimaler verteilt und verwirbelt.
Die Zwischenplatte kann aber auch nur aus den vorgenannten Metalldrähten oder -fasern bestehen, und bei entsprechender Dichte des damit gebildeten Drahtkörpers alleine, d. h. ohne Zugabe einer gießbaren oder verfüllbaren Masse bzw. ohne zusätzliche Beschichtung mit einem oder mehreren Werkstoffen, einen starren und stabilen eigenen Verbund definierte Dicke haben. Jedoch neigen solche textilartigen Strukturen regelmäßiger wie unregelmäßiger Art grundsätzlich, auch wenn sie aus Metall sind, bei abnehmender Dichte, d. h. bei größer werdender Offenporigkeit, zur Instabilität, d. h. eine solche Platten würde alleine dann beweglicher bzw. biegsamer werden. Diesem Problem kann aber, um den erfinderischen Anspruch auch für diese Strukturen aufrechtzuerhalten, derart entgegengewirkt werden, dass gemäß Anspruch 20 die entsprechende Zwischenplatte erst durch den festen Verbund mit mindestens einer Außenplatte den beanspruchten starren und stabilen Eigenverbund definierter Dicke erhält.
Entsprechend den vielfältigen zur Verfügung stehenden Herstellverfahren aus anderen Anwendungen kann die erfindungsgemäße Zwischenplatte gemäß Anspruch 21 vorteilhafterweise nun einerseits als separat vorgefertigtes Halbzeug industriell vorgefertigt und der weiteren Fertigung der Verbundplatte rationell zur Verfügung gestellt werden. Je nach Herstellverfahren ist eine Produktion kleinerer oder größerer Platten möglich. Werden für den erfinderischen solarthermischen Flachkollektor größere Platten benötigt, kann gemäß Anspruch 22 die Gesamtfläche der erfinderischen Zwischenplatte auch aus mehreren, bündig auf Stoß zusammengefügten kleineren Platten gebildet sein. Auch ist ein passender Zuschnitt möglich, da die Zwischenplatte sehr gut mechanisch bearbeitbar ist. Dementsprechend sind neben rechteckigen Flächen auch Sonderformen machbar. Die Plattendicke hängt von der für den Flachkollektor ausgelegten, d. h. erforderlichen Hydraulik des Wärmeträgermediums ab. Andererseits kann die Zwischenplatte auch mit Hilfe mindestens einer Außenplatte als verlorene Schalung hergestellt werden. In diesem Fall wird die Zwischenplatte in Verbindung mit der Fertigung des Plattenverbundes hergestellt. Dies kann z. B. dadurch geschehen, dass erst eine flächig horizontal positionierte Außenplatte mit ggf. erforderlichen seitlichen Schalungsleisten von oben mit der erfinderischen flüssigen oder pastösen Füllmasse des entsprechenden Werkstoffs befüllt bzw. beschichtet, und dann die zweite Platte bündig darauf gelegt wird. Nach Aushärtung des Werkstoffs ist zugleich die Zwischenplatte und ihr Verbund mit der Außenplatte hergestellt. Die seitlichen Schalungsleisten können dann bei Bedarf entfernt werden. in ähnlicher Weise können auch beide Außenplatten zugleich mit der Füllmasse befüllt und verbunden werden, wenn diese vorher an drei Seiten mit entsprechenden Schalungsleisten auf Abstand gehalten und abgedichtet, und dann von oben über die offene Seite mit der Füllmasse hinterfüllt werden. Sicherlich sind in diesem Zusammenhang noch andere Verfahren und Varianten denkbar bzw. zukünftig entwickelbar, die sich mindestens einer Außenplatte als verlorene Schalung bedienen.
Die Außenplatten können gemäß Anspruch 23 aus unterschiedlichen dafür geeigneten Werkstoffen bestehen, die jedoch auf die Funktion des letztendlich betriebenen und dementsprechend konstruierten Flachkollektors hin ggf. angepasst werden müssen. Insbesondere muss die erfindungsgemäße Verbindung mit der Zwischenplatte möglich sein. Soll z. B. die Zwischenplatte auch als Absorber für die Sonnenstrahlen dienen, muss gemäß Anspruch 24 zumindest eine der Außenplatten dafür bestmöglich durchlässig sein, bzw. vorzugsweise aus einem dafür speziell modifizierten Glas oder Kunststoff bestehen. Die Oberfläche dieser Außenplatte kann zusätzlich dafür noch speziell ausgebildet, vergütet, mechanisch bearbeitet, oder beschichtet sein. Soll dagegen eine der Außenplatten als Absorber für die Sonnenstrahlen dienen, muss diese die Sonnenstrahlen weitestgehend gänzlich auffangen und absorbieren, also gemäß Anspruch 25 zumindest undurchlässig für die Sonnenstrahlen sein. Solche Flächen sind zumeist aus Aluminium oder Kupfer. Je nach Kollektorkonzept sind aber auch andere Materialien möglich, insbesondere dann wenn preisgünstigere Werkstoffe zur Ausführung kommen sollen. Zur Verbesserung der Absorption kann die der Sonne zugewandte Plattenfläche wie schon mehrfach beschrieben noch zusätzlich speziell hergerichtet bzw. ausgestattet sein. Die rückwärtige, d. h. zu den Sonnenstrahlen abgewandte Außenplatte des Kollektors ist grundsätzlich für Sonnenstrahlen undurchlässig, kann aber bei Bedarf, d. h. wenn systembedingt Sonnenstrahlen die frontseitige Außenplatte durchdringen sollen, auf der Innenfläche lichtreflektierend hergerichtet sein. Vermehrt werden solarthermische Sonnenkollektoren mit photovoltaischen Solarzellen bzw. -modulen kombiniert, um einerseits die Solarzellen zu kühlen und dabei gleichzeitig die entzogene Wärme einer zusätzlichen Nutzung zuzuführen, andererseits um die begrenzte Dachfläche effektiver für beide solare Nutzungsarten nutzen zu können. Da der erfinderische Flachkollektor bei Bedarf sehr flach gebaut und über seine ganze Fläche die Sonnenstrahlen bzw. Wärme optimal gleichmäßig absorbieren kann, ist er sehr gut auch mit einem photovoltaischen Sonnenkollektor kombinierbar. Hierzu braucht nur gemäß Anspruch 26 die der Sonne zugewandte Außenplatte mit dem Solarmodul in geeigneter Weise verbunden werden. Die entsprechende Außenplatte muß hierfür geeignet sein, bzw. dafür ggf. speziell hergerichtet oder ausgebildet sein, was auch von der Konstruktionsweise und der Befestigungsmöglichkeit des Solarmoduls abhängig ist. Hierfür gibt es schon bewährte Techniken auf dem Markt.
Gemäß Anspruch 27 werden die Außenplatten als separates Produkt hergestellt, und der weiteren Fertigung der Verbundplatte als industriell vorgefertigtes Halbzeug zur Verfügung gestellt. Dies trägt zur Rationalisierung und damit zu einer möglichen industriellen Flachkollektorfertigung bei.
Neben der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Zwischenplatte und der Außenplatten gehört auch ihr entsprechend vorteilhafter Verbund zu den wichtigsten Anspruchsmerkmalen dieser Erfindung. Neben dem Anspruch für einen flächigen Verbund der Platten ist daher die Art des flächigen Verbundes ein weiteres wichtiges Kriterium für die Formstabilität und Ebenheit eines solchen Doppel- bzw. Dreiplattenkollektors bei entsprechend hohen Innendrücken.
Um einen wirklich festen und stabilen und flächigen Verbund der Zwischenplatte mit den Außenplatten zu erreichen, ist gemäß Anspruch 28 die Materialstruktur der Zwischenplatte mit den Außenplatten Werkstoff- und/oder formschlüssig verbunden. Grundsätzlich ist ein werkstoffschlüssiger Verbund vorzuziehen, weil hiermit eine absolut sichere Verbindung bis zum Materialbruch gewährleistet ist. Formschlüssige Verbindungen sollen aber nicht ausgeschlossen werden, wenn auch hier eine absolut sichere Verbindung durch z. B. gleichzeitiges mechanisches Verankern der Platten miteinander möglich ist. Demnach ist ein rein flächiger Formschluss, auch durch zusätzliches Kleben, weniger geeignet, es sei denn die Oberfläche hat eine entsprechend profilierte oder intensiv aufgeraute Struktur, sodass gemäß Anspruch 36 die Materialstruktur der Zwischenplatte mit der Oberfläche mindestens einer Außenplatte durch mechanische Verkrallung möglich ist. Dabei spielt es keine Rolle bzw. ist von dem jeweiligen Verfahren abhängig, ob zuerst eine Außenplatte mit der Zwischenplatte verbunden wird und das Ganze dann mit der zweiten Außenplatte komplettiert wird, oder ob alle drei Platten in einem Prozess verbunden werden. Das heißt, es können gemäß Anspruch 21 und 22 vorgefertigte Platten zusammengefügt und dann miteinander verbunden werden, es besteht aber auch die Möglichkeit, die Zwischenplatte während ihrer Herstellung mit einer oder mit beiden Außenplatten zu verbinden.
Es gibt für die Verbindung von Platten die unterschiedlichsten Verbindungsverfahren aus anderen Anwendungen, die jedoch im Bezug auf den Erfindungsgegenstand noch nicht bekannt sind, aber für diese Anwendung auch geeignet sind. Sie müssen jedoch daraufhin speziell ausgerichtet und/oder sogar mehr oder weniger modifiziert werden.
In Anspruch 29 werden schmelz- oder pulvermetallurgische oder schweißtechnische Verfahren als geeignet für die Verbindung der Materialstruktur der Zwischenplatte und mindestens einer Außenplatte beansprucht. Diese Verfahren dienen der werkstoffschlüssigen Verbindung von Metallen. Zum Beispiel kann die Zwischenplatte auf einer oder zwischen beiden Außenplatte hergestellt und gleichzeitig mit dieser bzw. diesen verbunden werden, wenn die Außenplatte(n) mit der Zwischenplatte in Form einer dementsprechenden Füllmasse als Schmelze beschichtet oder hintergossen werden. Die Temperatur der Platte und der Schmelze kann so aufeinander abgestimmt sein, dass die Oberfläche der Außenplatte leicht anschmilzt und mit der Schmelze eine flüssige Verbindung eingeht, die dann nach ihrer Aushärtung fest wird. Umgekehrt kann man sich auch vorstellen, die Zwischenplatte dem werksseitigen Herstellprozess der Außenplatte zuzuordnen, indem die vorgefertigte Zwischenplatte auf die noch glühende und mehr oder weniger weiche, aus der Schmelze kommende oder noch in der Walzstraße befindliche Außenplatte aufgelegt und bedarfsweise noch zusätzlich angepresst wird. Mit ähnlichen Verfahren können die Platten gemäß Anspruch 30 durch Kaltpressverschweißen oder Walzplattieren miteinander verbunden sein. Hier wird vor allem über Druck, d. h. das Anpressen der Platten und der dabei entstehenden Wärmeentwicklung eine mehr oder weniger Kaltverformung an der Verbindungsfläche erzeugt, und dadurch eine werkstoffschlüssige Verbindung hergestellt. Zumeist wird zur Unterstützung des Prozesses zusätzliche Wärme zugeführt, insbesondere dann, wenn man den Anpressdruck reduzieren muss, weil die Teile, wie z. B. die Zwischenplatte aufgrund der porösen Struktur, nur einem geringeren Anpressdruck standhalten. Bei pulvermetallurgischen Verbindungen wird im Verbindungsbereich von vorgefertigten Platten zusätzlich ein Metallpulver eingesetzt, das unter Hitze schneller schmilzt als die zu verbindenden Teile, zusammenbackt, und mit dieser klebrigen Metallmasse nach dem Erkalten die Plattenflächen miteinander werkstoffschlüssig verbindet. Bezüglich der möglichen Schweißverfahren gibt es spezielle Flächenschweißverfahren, wie z. B. das Ultraschall-Schweißen, das nur im Verbindungs- bzw. Kontaktbereich der Platten eine Schmelze erzeugt. Dies hat den Vorteil, dass sich exakt nur die flächige Schweißstelle und nicht die ganzen Platten erwärmen, und dadurch keine Verwerfungen insbesondere in der Außenplatte durch Materialspannungen beim Erkalten entstehen. Ein ganz anderes Verfahren wird gemäß Anspruch 31 beim galvanischen Verbund der Platten angewendet. Durch Elektrolyse kann die Struktur der Verbundplattenanordnung mit eine dünnen Metallschicht beschichtet, und gleichzeitig dabei auch ein metallischer Verbund der Platten hergestellt werden. Man kann einen Verbund auch durch Löten entsprechend Anspruch 32 herbeiführen, indem man z. B. die poröse Oberfläche der Zwischenplatte von beiden Seiten mit Lot beschichtet und erkalten lässt. Dann werden beide Außenplatten der Zwischenplatte zugeordnet und dieser Plattenaufbau solange von der Außenseite der Außenplatten erhitzt bis das Lot schmilzt und nach seinem erneuten Erkalten die Platten miteinander verbindet. Ein formschlüssiger Verbund wird in Anspruch 34 derart angemeldet, dass dieser Verbund zwischen der Materialstruktur der Zwischenplatte und zumindest einer Außenplatte aus Glas besteht, indem die Struktur der Zwischenplatte zum Teil in der Glasplatte formschlüssig eingebunden und damit darin mechanisch verankert ist. Insbesondere kann auf diese Weise eine metallische Zwischenplatte mit einer Glasplatte verbunden werden, wenn man die Zwischenplatte als Absorber für die Sonnenstrahlen nutzen will. Das Verfahren ist ganz einfach, jedoch bislang in dieser Form noch nicht offenbart worden. Die Zwischenplatte wird hierzu während der Glasherstellung auf eine frisch aus der Schmelze kommende Glasplatte so aufgelegt, dass die Struktur der Zwischenplatte ausreichend tief, in die noch weiche Glasplatte einsinkt bzw. eintaucht, und nach dem Erkalten und fest werden der Glasplatte sich dort verankert. Der Werkstoff der Zwischenplatte sowie die Temperatur der Glasplatte muss natürlich so gewählt werden, dass die metallische Struktur der Zwischenplatte bei diesem Vorgang nicht schmilzt. Bei Bedarf kann die Zwischenplatte auch mit einem zusätzlichen Anpressdruck in die Glasplatte hineingedrückt werden. Das Eintauchen in das Glas darf nur so tief wie nötig erfolgen, um eine stabile Verankerung zu erreichen, aber auch um den Strömungsraum bzw. den Strömungsquerschnitt in der Zwischenplatte nicht unnötig einzuengen. Ggf. muss die Dicke der Zwischenplatte bei der Auslegung entsprechend größer gewählt werden. Im Prinzip können mit diesem Verfahren gemäß Anspruch 33 auch andere Werkstoffpaarungen miteinander verbunden werden, jedoch muss dazu die entsprechende Außenplatte oder zumindest ein Teil davon noch weich bzw. in der Aushärt- oder Erkaltungsphase befinden. Theoretisch kann dies auch mit einer Außenplatte aus Kunststoff oder aus einem mineralisch gebundenen Baustoff gemacht werden. Zum Beispiel kann die Zwischenplatte, mit oder ohne Glasplatte, d. h. mit ihrer noch nicht mit einer Außenplatte ausgestatteten Fläche in eine GFK-Außenplatte mit noch nicht ausgehärtetem, d. h. noch weichem Laminat hineingedrückt und nach der Aushärtung des Harzes darin verankert sein. Auf ähnliche Weise können auch schon erstarrte oder ausgehärtete oder feste Außenplatten mit der Materialstruktur der Zwischenplatte verbunden werden, wenn die Außenplatte gemäß Anspruch 35 zusätzlich mit einer noch weichen und anschließend dann aushärtenden Beschichtung ausgerüstet ist, in die die Materialstruktur der Zwischenplatte in gleicher Weise eingetaucht und verankert wird. Zum Beispiel kann die Außenplatte für diesen Zweck vorher mit einer entsprechend dicken Harz- oder Gelcoat-Schicht frisch beschichtet sein. Diese Beschichtung dient gleichzeitig dem zusätzlichen Wandaufbau der Außenplatte, und wird somit dann zum Bestandteil der Außenplatte. Dies wird zumeist mit Außenplatten erforderlich sein, die als feste Bauteile der weiteren Fertigung des Kollektors beigestellt, und nicht flächig mit der Zwischenplatte verschweißbar sind. Als typisches Material wäre hier z. B. eine Außenplatte aus einem schon ausgehärteten GFK zu nennen.
Um diesen Plattenverbund bzw. die von zwei Außenplatten beidseitig flächig abgedeckte Zwischenplatte mit einem Wärmeträgermedium befüllen und dieses unter Druck darin zirkulieren lassen zu können, muss der Plattenverbund rundherum an den Seiten druckdicht abgedichtet werden. Dies kann einmal gemäß Anspruch 37 dadurch geschehen, das die poröse Materialstruktur der Zwischenplatte zwischen den Außenplatten an ihrem Randbereich mit einem Dichtmittel befüllt ist. Voraussetzung ist, das die Abdichtung noch zwischen den Abdeckplatten erfolgt und somit auch gegenüber diesen formschlüssig abdichtet, sowie die Struktur, d. h. den porösen freien Querschnitt der Zwischenplatte in diesem Bereich ohne Lufteinschlüsse verschließt. Vorzugsweise kommen hier als Dichtmittel aushärtende Kunststoffe, wie z. B. temperaturbeständige und weitestgehend wasser- und diffusionsdichte Duroplaste in Form von Kunstharzen in Frage, die den Vorteil haben, zusätzlich auch gut zu verkleben. Auch Kautschuke, wie z. B. Butylkautschuk, sind geeignet, weil sie sehr dicht und sehr hoch temperaturbeständig sind, jedoch auch relativ teuer sind. Der Vorteil dieser Abdichtlösung ist, dass sie sehr einfach und kostengünstig ohne mechanische Bearbeitung der Verbundplatte herstellbar ist, und gleichzeitig auch an dieser Stellen des Plattenverbundes eine sichere und stabile Verbindung schafft, weil das Ganze grundsätzlich alleine schon von der erfinderischen Verbundlösung Außenplatte-Zwischenplatte-Außenplatte flächig gehalten wird, sodass das Dichtmittel nur die Abdichtung übernehmen muss. Und diese Abdichtung ist gleichfalls für hohe Drücke geeignet, weil das Dichtmittel in der porösen Struktur der Zwischenplatte äußerst stabil, d. h. mit Haftung und formschlüssiger Verankerung an einer sehr großen inneren Oberfläche eingelagert ist. Diese an sich schon perfekte Abdichtung und Verbindung benötigt daher keine weiteren konstruktiven Hilfsmittel mehr. Jedoch kann bei Bedarf, wenn die Außenplatten etwas über die Zwischenplatte hinausstehen, als Randabschluss z. B. ein Vierkantprofil bündig dazwischengesetzt, bzw. gleichfalls geklebt oder auch verschweißt oder gepunktet, oder mechanisch verschraubt werden. Der Vollständigkeit halber soll auch eine konventionelle Abdichtform hier im Zusammenhang mit dem erfinderischen Gegenstand nicht unerwähnt bleiben. Diese besteht darin, dass die Außenplatten gemäß Anspruch 38 an ihren Rändern miteinander schweißtechnisch verbunden sind. Dies kann direkt oder auch mit eine dazwischen eingesetzten Profil- bzw. Vierkantleiste erfolgen. Dies setzt aber voraus, dass sich im Schweißbereich dazwischen keine Zwischenplatte befindet bzw. diese an dieser Stelle ausgespart ist. Vorteil dieser Konstruktion ist, das der Plattenverbund an seinem umlaufenden Rand mit nur einer Schweißnaht abgedichtet und zugleich verbunden werden kann. In diesem Fall muss der Querschnitt der Zwischenplatte vorzugsweise in der rückwärtigen Außenplatte, die als Wanne ausgebildet, räumlich untergebracht sein. Diese Wanne ist an den Seiten mit einer umlaufenden Abdichtleiste ausgestattet, auf die die vordere Außenplatte passend aufgelegt und mit dieser am Rand verschweißt ist. Das Verschweißen beschränkt sich nicht nur auf metallische Plattenwerkstoffe, sondern u. a. auch Kunststoffe können hierfür in Frage kommen.
Gemäß Anspruch 39 ist auch entsprechend der Bau- und Funktionsweise des Kollektors entsprechend eine Kombination aus den vorgenannten Verbindungsarten möglich.
Zum Schluss soll bezüglich des erfinderischen Kollektors auch noch das darin zirkulierende Wärmeträgermedium bzgl. seiner Ausführung und seiner dementsprechenden Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten und näher bestimmt werden, welches nach Anspruch 40 ein gasförmiges und/oder flüssiges Medium sein kann. Da es sich bei dem Erfindungsgegenstand vorrangig um einen Flachkollektor handelt, und von daher schon der gegebene Strömungsquerschnitt möglichst flach sein soll, sind allein konstruktionsbedingt nicht die Strömungsvolumen wie bei reinen volumetrischen Sonnenkollektor möglich, die von daher auch zumeist mit Luft betrieben werden. Um unter diesen Umständen den Flachkollektor so effektiv wie möglich zu betreiben, ist ein flüssiges Wärmeträgermedium vorzuziehen. Bei normalen Anwendungen von Sonnenkollektoren für z. B. die alternative Gebäudeheizung ist daher Wasser gemäß Anspruch 41 die effektivste und wirtschaftlichste Lösung, wobei oft eine Mischung von Wasser mit einem Frostschutzmittel zur Anwendung kommt. Das schließt aber nicht aus, dass nicht auch z. B. ein Öl oder andere flüssige Medien für Spezialanwendungen vorteilhafter sind. Luft oder ein Gas kommt also wie gesagt als grundsätzliches Medium weniger in Frage, kann aber zumindest teilweise im Kollektorprozess gewollt oder ungewollt mitenthalten sein, wenn z. B. das Wärmeträgermedium Wasser im Kollektor überhitzt und verdampft. Die erfinderische Konstruktion wird sicherlich dem entstehenden höhere Dampfdruck und den höheren Temperaturen gleichfalls standhalten. Der Vorteil eines solchen Prozesses ist bekanntlich, dass Dampf sowohl für die Wärmenutzung, als auch für die Stromerzeugung verwendet werden kann. Insbesondere dieser kombinierte Prozess kann dann auch bei Flachkollektoren Sinn machen, wenn der Kollektor zwar als flacher, jedoch als volumetrischer Kollektor betrieben wird, was der Fall ist, wenn die der Sonne zugewandte Außenplatte aus Solarglas ist. In diesem Fall kann es sinnvoller sein, als Absorptionsmittel direkt das Wärmeträgermedium Wasser oder dieses in Kombination mit einer entsprechend auch dafür bestimmten und hergerichteten Zwischenplatte zu verwenden. Und je weniger das Wasser dann für die Sonnenstrahlen undurchlässig ist, desto mehr Wärme kann es absorbieren. Zu diesem Zweck können bekanntlich auch flüssige Medien gemäß Anspruch 42 dunkel oder schwarz eingefärbt oder pigmentiert sein. Die Sonnenstrahlen können dann je nach Einstellung mehr oder weniger tief in das Wärmeträgermedium räumlich bzw. volumetrisch eindringen, und die Wärme wird von jedem sich in der Wasserströmung ständig bewegenden Farbpartikelchen oder Pigment absorbiert und zugleich an das Wasser übertragen.
Die wichtigsten Merkmale der Erfindung sollen nachfolgend noch mal anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert werden.
1 zeigt den erfinderischen Flachkollektor als Draufsicht auf die sonnenzugewandte Oberfläche des Kollektors, wobei der Kollektor rechts unten schichtweise zeichnerisch aufgeschnitten ist, um besser den Aufbau in der Tiefe des Kollektors darzustellen.
2 zeigt den Flachkollektor gemäß 1 als geschnittene Seitenansicht.
3 zeigt ein geschnittenes Detail aus der Ansicht gemäß 2, das als eine Variante die Zwischenplatte im Verbund mit den Außenplatten durch formschlüssige Verankerung und Verklebung und im Randbereich durch eine zusätzliche Abdichtung mit einem Dichtmittel darstellt.
4 zeigt ein geschnittenes Detail aus der Ansicht gemäß 2, das als andere Variante die Zwischenplatte mit einem werkstoffschlüssigen Verbund mit den Außenplatten darstellt und wo der Randbereich der Außenplatten zusätzlich mit einer Schweißnaht verbunden und abgedichtet ist.
Dieses Beispiel mit seinen gezeigten Varianten ist nur ein Auszug aus einer Vielzahl konstruktiver Möglichkeiten, die sich erst mit dieser Erfindung eröffnen, und vom geplanten technischen wie ästhetischen Konzept sowie der Größe und dem Installationsort eines solchen Kollektors abhängt. Als Beispiel wurde eine übliche Anwendung eines Flachkollektors auf einem Dach oder an einer Fassade in einer üblichen handhabbaren Größe und Form gewählt, die bekanntlich auch zu mehreren, neben- und übereinander zu einer entsprechend erforderlichen größeren Gesamtfläche montiert sein können. Der erfinderische Kollektor ist zusätzlich mit konventionellen und bewährten Bauteilen ergänzt, damit er als Flachkollektor zur dezentralen Gewinnung von Sonnenwärme tatsächlich effektiv und wirtschaftlich mit einem Wärmeträgermedium durchströmt und betrieben werden kann. Grundsätzlich sind alle Bauteile einschließlich dem Kollektor zur sonnenabgewandten, d. h. zur Rückseite und zu allen vier Seite hin mit einer entsprechend dicken Wärmedämmung 10 isoliert bzw. in einen dementsprechend ausgeführten und zur Sonne hin offenen Kasten bündig eingelassen. Wärmedämmung muss bekanntlich grundsätzlich vor Feuchtigkeit geschützt sein. Dementsprechend muss der Kasten zumindest nach außen schlagwasser- und diffusionsdicht beschichtet sein. Ein solcher Kasten mit der zusätzlichen Funktion zur Wärmedämmung ist grundsätzlich bekannt, und wird bei Sonnenkollektoren praktiziert. Für die Verbesserung der Wärmedämmung bei gleichzeitiger Reduzierung der Dämmdicke soll an dieser Stelle die Vakuumdämmung nicht unerwähnt bleiben, die vermehrt auch im großen Stil, d. h. neuerdings auch zur Gebäudedämmung eingesetzt wird, und sicherlich künftig auch bei Sonnenkollektoren vorteilhaft Verwendung finden wird. Dieser Kasten ist mit entsprechenden Halterungen für die Montage auf Dächern oder Fassaden ausgestattet. Auch gibt es Gestelle für z. B. Flachdächer, in denen die Kästen schräg aufgestellt werden können.
In den Kasten ist der erfinderische Kollektor in die Wärmedämmung 10 vorzugsweise formschlüssig derart eingepasst und abgedichtet, dass keine Feuchtigkeit von außen in den Kasten eindringen kann. Verschlossen ist der Kasten mit einer Solarglas-Abdeckplatte 2, die mit einer Abdichtung 8 in Form eines umlaufenden flachen Abdichtbandes auf einen bestimmten Abstand zum Kollektor gehalten wird. Der damit geschaffene flache Hohlraum 13 zwischen Kollektor und Abdeckplatte 2 dient als Wärmedämmung des Kollektor zur Verschluss- bzw. Sonnenseite des Kastens hin. Solche Hohlräume sind bekanntlich im Vergleich zu festen Materialien besser für die Wärmedämmung geeignet, insbesondere dann, wenn diese nicht mit Luft, sondern mit einem speziellen Gas befüllt oder noch besser mit Vakuum beaufschlagt sind. Problematisch ist hierbei nur die Langzeitabdichtung des Hohlraums, wofür der Stand der Technik aber schon bewährte Lösung zur Verfügung hält. Letztendlich muss durch den Stand der Technik gewährleistet sein, dass die Sonnenstrahlen 11 weitestgehend ungehindert zumindest den Kollektor erreichen können. Der ganze Kasten wird noch mal mit einem umlaufenden Rahmenprofil 1 zusammengehalten, das den Kasten mit seinen Einbauteilen an den Seiten umfasst und einspannt.
Ein weiteres konventionelles Bauteil im Kollektor ist der Anschluss des Kollektors mit dem Wärmeträgermedium, der bei diesem Beispiel vorzugsweise so gelöst ist, dass das Wärmeträgermedium dem unteren Teil des Kollektors in voller Breite zugeführt wird, um eine gleichmäßige Verteilung in der Breite für eine optimale vollflächige Hinterströmung des Kollektors sicherzustellen. Als Hilfsmittel dient in diesem Beispiel ein Einlaufverteiler 4 in Form eine im Strömungsraum des Kollektors entlang der gesamten unterem Seite angeordneten Vierkant-Verteilerrohres. Dieses Rohrprofil wurde gewählt, weil es sich bei diesem Beispiel am formschlüssigsten in die Konstruktion des Kollektors einpasst. Dieser Vierkant-Verteiler weist entlang seiner oberen Längsseite Verteilerauslässe 6 in Form von runden Öffnungen auf, aus denen das Wärmeträgermedium fächerförmig in den Strömungsraum des Kollektors einströmen kann. Dieser Einlaufverteiler 4 ist von der Rückwand des Kollektors her mit einem Kollektor-Einlauf in Form eines normalen Rohres verbunden bzw. angeschlossen. Dieses Rohr ist gleichfalls wärmegedämmt und durchdringt notwendigerweise vorher die Rückwand bzw. Kollektor-Außenplatte 9 des Flachkollektors. In ähnlicher Weise ist bei Bedarf auch eine entsprechende Einrichtung am oberen Ende des Strömungsraums installiert (nicht gezeigt), worüber dann das erhitzte Wärmeträgermedium durch den Kollektor-Auslauf 12 dem Kollektor entnommen und einer Nutzung zugeführt wird. Der Einfachheit halber kann aber auch der Verteiler im Bereich der Wärmeträgerauslaufs entfallen. Grundsätzlich können auch andere Anschluss- und Verteilerformen je nach Konzept und Betriebsweise des Kollektors vorgesehen werden. Die Betriebsweise kann auch umgekehrte Strömungsrichtung haben. Oder zum Beispiel kann anstatt der Verteilerauslässe auch ein Verteilerauslaß in Form eines Schlitzes vorgesehen sein. Auch kann der Anschluss von der Seite des Kollektors erfolgen. Dies macht z. B. Sinn, wenn mehrere Flachkollektoren in Reihe oder parallel miteinander verschaltet werden sollen.
Der Kollektor selbst besteht gemäß Oberanspruch zunächst konventionell aus einer Verbundplatte aus einer Zwischenplatte mit zwei im Abstand zueinander parallel angeordneten massiven und für gasförmige wie flüssige Medien dichten, ebenen, und nur an den Rändern miteinander verbundenen und abgedichteten, und in einer Richtung von einem Wärmeträgermedium vollflächig hinterströmten Außenplatten, und einer porösen Füllmasse mit offenen Hohlräumen. Jedoch weist dieser Kollektor gegenüber dem Stand der Technik zusätzliche erfinderische Merkmale auf, die insbesondere in zwei unterschiedlichen Ausführungsvarianten als entsprechend vergrößerter Ausschnitt aus 2 detailliert und zeichnerisch klarer erkenntlich in 3 und 4 dargestellt sind.
In 3 wird neben den zuvor näher erklärten zugeordneten und angeschlossenen konventionellen Einrichtung gemäß Hauptanspruch in einer ersten Variante eine erfinderische Zwischenplatte 5.1 gezeigt, die aus einer Füllmasse besteht, und selbst einen starren und stabilen Verbund definierter Dicke hat, und über ihre komplette Plattenfläche einen festen Verbund mit den zwei Außenplatten herstellt, und im Prinzip in ihrem gesamten Plattenquerschnitt in einer Richtung von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird, und speziell bei dieser Variante nicht nur die Aufgabe eines Wärmetauschers, sondern auch die eines Absorbers für die Sonnenstrahlen erfüllen soll. Die Füllmasse hat eine schaumartige Metallstruktur im wesentlichen aus Kupfer oder einer Legierung aus zumindest diesen Werkstoffen, kann aber auch mineralischer Art sein, d. h. aus Glas oder einem mineralisch gebundenen oder keramischen Baustoff bestehen. Entsprechend ist dies ein Werkstoff, der zumindest aus einer gießbaren oder verfüllbaren Masse besteht, die nach ihrer Verarbeitung zu einer Zwischenplatte mit einer Materialstruktur in Form eines offenzelligen und regel- oder unregelmäßig dreidimensional vernetzten Körpers aushärtet. Solche Materialstrukturen können wie gesagt auf die unterschiedlichste Weise hergestellt sein. In diesem Fall wurde eine vorgefertigte Platzhalterstruktur in Form einer Platte gewählt, die aus unregelmäßigen, dreidimensional vernetzten und verhakten Kupferdrähten oder -fasern besteht, die zusätzlich mit Kupfer umhüllt bzw. beschichtet sind, sodass jeder Draht bzw. jede Faser an den in einem solchen Wirrdrahtgebilde unvermeidbaren unzähligen kreuzenden Kontaktstellen mit anderen Drähten oder Fasern fest verbunden sind. Dieses Gebilde ist außerdem noch mal zusätzlich mit einer die Sonnenstrahlen absorbierenden mattschwarzen Beschichtung ausgestattet, die vorzugsweise im wesentlichen aus Kohlenstoffpulver besteht. Die Zwischenplatte wurde als separates Produkt hergestellt und der weiteren Fertigung der Verbundplatte als industriell vorgefertigtes Halbzeug zur Verfügung gestellt. Sollte der Markt fertigungstechnischen Gründen noch keine Einzelplatte in der gewünschten Größe herstellen können, kann die Zwischenplatte auch aus mehreren kleineren Platten zusammengesetzt sein.
Die Außenplatten der Verbundplatte besteht aus einer rückwärtigen, d. h. der Sonne abgewandten Kollektor-Außenplatte 9 und einer der Sonne zugewandten Kollektor-Außenplatte 3, wobei erstere für die Sonnenstrahlen undurchlässig ist, und vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff besteht. Diese Platte dient rein konstruktiven Zwecken, und hat für diesen Zweck ausreichend gute Eigenschaften bzgl. Stabilität, Dichtigkeit, und Temperaturbeständigkeit bei geringst möglichem Gewicht, Materialeinsatz und Kosten, und kann sehr gut vor seiner Aushärtung entsprechend ausgeformt werden. In diesem Beispiel gemäß 3 wurde eine tiefgezogene rechtwinklige Wannenform gewählt, um darin passgenau die Struktur der Zwischenplatte 5.1 zumindest im Strömungsbereich des Kollektors mit einer größeren Wanddicke aufnehmen zu können. Die Wanne hat einen umlaufende äußeren flachen Rahmen, mittels dem eine Abdichtung der Verbundplatte bzw. des Strömungsraums gegenüber der anderen Außenplatte erfolgt.
Die der Sonne zugewandte Kollektor-Außenplatte 3 ist für die Sonnenstrahlen 11 durchlässig und vorzugsweise aus einem dafür optimierten Glas oder Kunststoff. Sie kann alternativ auch für Licht undurchlässig sein, jedoch wird auf diese Variante später bei der Beschreibung der 4 näher eingegangen. Die optische Qualität der Lichtdurchlässigkeit ist sicherlich bislang bei Glas an besten, noch dazu wenn für diesen Zweck ein dafür speziell entwickeltes Glas verwendet wird, jedoch aus Erwägungen der Gewichts- und Kosteneinsparung kann unter Umständen auch Kunststoff den Vorzug erhalten. Diese Platten können außen noch zusätzlich beschichtet oder bearbeitet oder schon werksseitig profiliert sein, um eine geringst mögliche Reflektion der Wärme wieder weg vom Kollektor zu bewirken. Beide Außenplatten sind rationellerweise auch als separates Produkt hergestellt, und stehen der weiteren Fertigung der Verbundplatte als industriell vorgefertigtes Halbzeug zur Verfügung. Der weitere Zusammenbau zu einer Verbundplatte sollte, um Kosten zu sparen, so rationell wie möglich erfolgen. Dementsprechend prägt u. a. insbesondere der Montageablauf und das Montageverfahren sehr wesentlich die endgültige Form der Ausbildung des Plattenverbundes. Im Beispiel gemäß 3 wurde ein Verbund gewählt, der einen über die gesamte Plattenfläche formschlüssige Verbindung der Material struktur der Zwischenplatte 5.1 mit den Außenplatten 3 und 9 vorsieht. Dies geschieht auf die Weise, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte 5.1 zuerst mit der Außenplatte 3 aus Glas durch Eintauchen und Verankern der Materialstruktur in die noch weiche und dann aushärtende Schmelzmasse der Außenplatte 3 aus Glas verbunden wird. Dieser Montagevorgang muss beim Glashersteller erfolgen, und kann z. B. durch Auflegen und erforderlichenfalls zusätzliches Anpressen der Zwischenplatte 5.1 auf die noch im Fertigungsprozess befindliche Außenplatte 3 aus Glas erfolgen. Die Zwischenplatte 5.1 muss nur so tief in das weiche Glas einsinken, bis vollflächig die ersten Strukturverbindungen der Zwischenplatte 5.1 eingetaucht und vom Glas umschlossen, und dementsprechend nach der Erkaltung und Erhärtung des Glases dort verankert sind. Um einen weiteren formschlüssige Zusammenbau mit der zweiten Außenplatte 9 zu optimieren, kann die Zwischenplatte 5.1 auch aus flächig zusammengesetzten kleineren Platten oder sonstigen rechtwinkligen oder entsprechend vorbearbeiteten Vollprofilen bestehen, die auch in der Dicke unterschiedlich sein können. Jedoch kann die mit der Außenplatte 3 aus Glas verbundene Zwischenplatte 5.1 auch dementsprechend nachträglich mechanisch bearbeitet werden. Dementsprechend wurde in 3 die Zwischenplatte 5.1 entsprechend dem Flächenprofil der wannenförmig ausgebildeten Außenplatte 9 einschließlich dem darin schon montierten Einlaufverteiler 4 ausgefräst. Wird alternativ für die Herstellung der Zwischenplatte ein gießtechnischen Verfahren verwendet, kann schon die Gussform eine exakt derartige Profilausbildung der Platte aufweisen. Die Ausfräsung sieht in diesem Fall zum einen eine passende Ausnehmung für den Vierkant-Einlaufverteiler 4 und der entsprechend ggf. vorzusehenden Auslaufvorrichtung (nicht gezeigt) im Strömungsraum entlang der oberen Seite des Kollektors vor. Grundsätzlich ist jedoch, wie gesagt, keine zusätzliche Einrichtung im Strömungsraum für den Auslauf erforderlich. Denn aufgrund der porösen Struktur der Zwischenplatte 5.1 reicht es aus, wenn der Kollektor in diesem Bereich nur von außen mit einem Kollektor-Auslauf 12 angeschlossen ist. Zum anderen wurde die Dicke der Zwischenplatte 5.1 umlaufend am Rand etwas flacher gefräst, um auch in diesem Bereich einen passenden, d. h. lückenlosen Formschluss mit der Außenplatte 9 zu erzielen.
Nun kann der abschließende Zusammenbau der Verbundplatte, d. h. die mit der Außenplatte 3 aus Glas verbundenen Zwischenplatte 5.1 mit der anderen Außenplatte 9 erfolgen. Hierzu wird gemäß 3 in die Wanne der Außenplatte 9 passend entlang der unteren Wannenseite von innen vorher der Einlaufverteiler 4 mit den Verteilerauslässen 6 in Richtung des Strömungsraums zusammen mit dem Kollektor-Einlauf 7 eingesetzt. Dies kann vorteilhafterweise dadurch geschehen, dass die gemeinsamen Berührungsflächen des Einlaufverteilers 4 mit der Außenplatte 9 vorher mit einem klebenden Dichtmittel aus Kunststoff oder Butylkautschuk beschichtet werden, sodass der Einlaufverteiler 4 in die Wanne eingeklebt werden kann, und damit die Rohrdurchführung des Kollektor-Einlaufs 7 durch die Außenplatte 9 zugleich druckdicht abgedichtet wird. Der Kollektor-Einlauf 7 ist vorzugsweise als Rohrstutzen ausgeführt und wurde vorher an den Einlaufverteiler 4 in üblicher Weise angeschlossen. Sodann wird die übrige innere Oberfläche der Außenplatte 9 derart mit einer Verankerungsbeschichtung 14 beschichtet, die in diesem Fall wie auch die Außenplatte 9 im wesentlichen aus einem aushärtbaren Kunststoff bzw. vorzugsweise Kunstharz bestehen sollte. Nun werden beide Außenplatten zu einer Verbundplatte bündig zueinander zusammengefügt, indem die Zwischenplatte 5.1 derart in die Verankerungsbeschichtung 14 hineingedrückt wird, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte in die noch weiche Beschichtung eintaucht und sich nach der Aushärtung der Beschichtung darin formschlüssig verankert. Um den Strömungsraum nicht unnötig einzuengen, sollte die Beschichtung nicht dicker sein, als unbedingt für die Verankerung erforderlich ist.
Jetzt muss nur noch der Strömungsraum am Verbundplatterand druckdicht abgedichtet sein. Dies geschieht in diesem Beispiel erfindungsgemäß dadurch, das die Materialstruktur der Zwischenplatte 5.3 am umlaufenden Randbereich mit den Außenplatten nicht nur formschlüssig, sondern auch druckdicht verbunden wird, indem dieser Bereich zusätzlich mit einem Dichtmittel befüllt wird. Dieses Dichtmittel ist wiederum vorzugsweise z. B. ein klebender und aushärtender Kunststoff bzw. ein entsprechendes Kunstharz oder ein Butylkautschuk, der in pastösem Zustand von außen in den Randbereich der offenporigen Struktur der Zwischenplatte 5.3 hineingedrückt wird.
Nachdem alle Beschichtungen und ggf. auch die Dichtmittel ausgehärtet sind, ist die Verbundplatte gemäß der erfinderischen Art hergestellt. Die Materialstruktur der Zwischenplatte 5.1 bildet ein konstruktives Verbindungssystem, dass zwischen den Außenplatten 3 und 9 die entsprechenden Trag- und Verbundkräfte weitestgehend vollflächig aufnimmt, diese auf die unzähligen vernetzten Verbindungen der Struktur zerlegt und dementsprechend auf das gesamte Volumen des Plattenkörpers räumlich verteilt. Sie bildet weiterhin, wenn als Werkstoff wie in diesem Beispiel Kupfer gewählt wurde, einen optimalen Wärmetauscher mit sehr großer innere Oberfläche, geringer Masse, und guter Wärmeleitfähigkeit, der die Wärme schnell über eine vergrößerte Wärmeübertragungsfläche an das Wärmeträgermedium weiterleitet. Gleichzeitig bildet sie einen Strömungsraum mit einer guten Durchströmung, Verwirbelung und dementsprechend gleichmäßigen Verteilung des Wärmeträgermediums an jeder Stelle der Zwischenplatte.
Aufgrund der in der 3 gewählten Außenplatten 3 aus Glas dient die Zwischenplatte 5.1 aus Kupfer auch als Absorber für die Sonnenstrahlen 11. Bezüglich dieser Funktion kann sie je nach Dichte bzw. Offenheit der Porenstruktur für die Sonnenstrahlen 11 undurchlässig oder teilweise durchlässig sein. Je tiefer die Sonnenstrahlen 11 in die Porenstruktur der Zwischenplatte 5.1 eindringen können, desto dicker muss die Zwischenplatte 5.1 sein. Werden nicht alle Sonnenstrahlen 11 in der Zwischenplatte 5.1 absorbiert, d. h. durchdringen diese teilweise die komplette Porenstruktur, dann besteht die Möglichkeit, die Außenplatte 9 auf ihrer Innenoberfläche zumindest im Bereich des Strömungsraumes für die Sonnenstrahlen 11 reflektierend herzurichten, d. h. zumindest mit einer hellen Farbe zu beschichten oder schon eine hellfarbige, z. B. weiße Verankerungsbeschichtung 14 in Form z. B. eines entsprechenden Gelcoats zu verwenden. Die durchgedrungenen Sonnenstrahlen 11 werden dann wieder in die Porenstruktur der Zwischenplatte 5.1 zurückreflektiert. Diese Ausführung eines Absorbers hat den Vorteil, dass die Absorberoberfläche sich in die räumliche Tiefe der Zwischenplatte 5.1 dreidimensional vergrößert und spezifisch, d. h. pro Kollektorbaufläche mehr Wärme übertragen kann, hat jedoch auch den Nachteil, dass der komplette solare Flachkollektor letztendlich dicker und schwerer wird.
Alternativ kann, wie gesagt, die Zwischenplatte 5.1 auch aus einem mineralische, d. h. Glas oder einem mineralisch gebundenen oder keramischen Werkstoff bestehen, dann wäre die Zwischenplatte 5.1 bei der hier gewählten Definition gleichfalls für die Sonnenstrahlen 11 nicht durchlässig bzw. ggf. nur teilweise durchlässig. Insbesondere kann bei einem keramischen Werkstoff der Zusammenbau der Verbundplatte in nahezu der gleichen Weise ablaufen, wie schon bei Verwendung einer im wesentlichen metallischen Struktur geschildert, weil keramische Strukturen aufgrund ihrer großen Festigkeit ähnlich filigrane Porenausbildungen haben können. Dagegen haben rein mineralisch gebundene Strukturen bekanntlich eine geringere Festigkeit, sodass in diesem Fall eher ein formschlüssiger Verguss einer entsprechend flüssigen und dann aushärtenden Füllmasse mit zumindest der beigestellten Außenplatten 3, erstmal unabhängig aus welchem Werkstoff, als verlorene Schalung sinnvoller erscheint. Dies ist realistisch, wenn die Außenplatten 3 auf ihrer Innenoberfläche derart hergerichtet oder bearbeitet, d. h. z. B. profiliert oder entsprechend aufgeraut ist, dass eine stabile Haftung zwischen zumindest beiden Platten, idealerweise z. B. durch mechanische Verkrallung möglich wird.
Alternativ kann die Zwischenplatte 5.1 auch für die Sonnenstrahlen 11 durchlässig sein, was der Fall ist, wenn diese z. B. auch aus Glas besteht. In diesem Fall hätte die Zwischenplatte 5.1 nur noch eine erfinderisch konstruktive Funktion, und wäre selbst zusätzlich kein Absorber und/oder Wärmetaucher mehr. Die letztgenannten beiden Funktion können jedoch dann nicht weniger vorteilhaft vom Wärmetauschermedium übernommen werden. Hierzu müsste dieses, wie auch in 3 vorzugsweise vorgesehen, im wesentlichen aus Wasser sein, das jedoch zur besseren Absorption der Sonnenstrahlen 11 dann dunkel oder schwarz eingefärbt oder pigmentiert sein müsste. Der Montageablauf der Platten ist ähnlich, nur bei der Verbindung der Zwischenplatte 5.2 mit der Außenplatte 3 aus Glas müsste ein schmelztechnisches Verfahren gewählt werden. Dies kann schon allein dadurch sehr einfach produktionstechnisch umgesetzt werden, wenn die vorgefertigte Zwischenplatte 5.1 aus z. B. einer Art offenporigem Glasschaum besteht, und gleichfalls während dem Herstellprozess der Außenplatte 3 aus Glas auf diese nur aufgelegt wird. Die noch weiche und noch sehr heiße Außenplatte 3 schmilzt dann die feine Struktur der Außenplatte 3 an der Oberfläche auf und stellt, wie in 4 für schweißbare Werkstoffpaarungen gezeigt, nach ihrer Erkaltung und Erhärtung eine werkstoffschlüssige vollflächige Verbindung her. Die somit endgefertigte und damit vorrichtungsdefinierte Verbundplatte kann nun der Endmontage des Flachkollektors beigestellt werden, d. h. gemäß 1 bis 3 in den Kollektorkasten aus der Wärmedämmung 10 eingepasst und mit den übrigen schon anfangs näher beschriebenen konventionellen Bauteilen komplettiert werden.
Eine zweites Variante einer Verbundplattenausführung wird in 4 gezeigt. Der Einfachheit und Kürze halber soll bei diesem Beispiel nachfolgend nur noch auf die Unterschiede zur ersten Variante in 3 eingegangen werden.
Im Prinzip liegt die der Sonne zugewandte Außenplatte 3 auf dem umlaufenden flachen Rand der Wanne der Außenplatte 9 bündig auf, und beide Platten sind an ihren Rändern bzw. auf der Stirnseite ihrer Plattenquerschnitte werkstoffschlüssig mit einer umlaufenden schweißtechnischen Verbindung 15, d. h. einer Flach oder Stumpfnaht verbunden und damit gleichzeitig druckdicht abgedichtet. Die Zwischenplatte 5.2 wurde entsprechend in diesem Bereich ausgespart. Grundsätzlich können hierfür erst mal alle miteinander verschweißbaren Plattenwerkstoffe in Frage kommen, die dann meist gleicher Art sind, jedoch müssen diese dann auch für einen vollflächigen Verbund mit der Zwischenplatte 5.2 geeignet sein. Für den vollflächigen Verbund der Platten wurde in 4 grundsätzlich ein schmelz- und/oder schweißtechnischer oder pulvermetallurgischer Verbund als Ausführungsbeispiel gewählt. Eine Werkstoffpaarung mineralischer Art scheidet in diesem Fall aus, weil diese nicht oder nur äußerst schwer am Rand mit einer Stirnnaht zu verbinden ist. Eine jedoch schmelztechnische flächige Verbindung wurde schon zu 3 als machbar beschrieben. Dagegen ist ein organischer Werkstoff z. B. aus Kunststoff durchaus mit einer Schweißnaht zu verbinden. Auch eine flächige Verbindung einer entsprechenden Zwischenplatte 5.2 mit mindestens einer Außenplatte ist schmelztechnisch, wie schon in zu 3 bzgl. einer entsprechende Paarung aus Glas erklärt, sicherlich theoretisch machbar, jedoch sehr aufwendig, und daher in der Praxis für die industrielle Massenfertigung weniger interessant. Übrig bleiben die metallischen Werkstoffe, und hier insbesondere die Werkstoffe Kupfer und Aluminium, die aber dafür geradezu prädestiniert sind. Neben der Schweißbarkeit existieren in der Industrie für die werkstoffschlüssige vollflächige Verbindung speziell von Platten schon diverse Fertigungsverfahren für Produkte anderer Anwendungen. Diese wären sehr gut dazu geeignet, damit die Materialstruktur der Zwischenplatte 5.2 mit mindestens eine der Außenplatten entweder z. B. durch Kaltpressen oder Walzplattieren, oder galvanisch verbunden ist, oder verlötet ist. Dies kann dadurch geschehen, das die Zwischenplatte 5.2 erst mit der einen und dann mit der anderen, oder gleichzeitig mit beiden Außenplatten zusammen verbunden wird. Auch kann damit der umlaufend flache Randbereich der Verbundplatte, wo die Struktur der Zwischenplatte 5.2 ausgespart ist und beide Außenplatten direkt aufeinander liegen, flächig werkstoffschlüssig verbunden und abgedichtet werden. In diesem Fall kann sogar die schweißtechnische Verbindung 15 entfallen. Beim galvanischen und beim Lötverfahren kann sogar der Einlaufverteiler 4 und der Kollektor-Einlauf 7 werkstoffschlüssig mit befestigt und ohne zusätzliche Dichtung oder Dichtmittel gegenüber der Außenplatte 9 abgedichtet werden. Bei Einsatz der Kaltpress- oder Walzplattierverfahren ist es sinnvoll, den Rohrstutzen für den Kollektor-Einlauf 7 erst anschließend in die Außenplatte 9 und den Einlaufverteiler 4 einzubinden. Dies kann dann durch dichtendes einschrauben oder einschweißen oder löten erfolgen.
Da ein metallischer Verbundplattenaufbau für die Sonnenstrahlen 11 undurchlässig ist, sollte allein nur auf die Funktion des Kollektors bezogen die Zwischenplatte 5.2 vorzugsweise auch aus Metall sein, damit neben ihrer erfinderischen Hauptaufgabe als Verbindungsplatte auch ihre sehr guten Wärmeleiteigenschaften als Wärmetauscher bzw. als erweiterte Wärmetauscherfläche in Verbindung mit Außenplatte 3 insbesondere bei Einsatz von z. B. Kupfer oder Aluminium zum Tragen kommen. Als Absorber für die Sonnenstrahlen 11 kann dann die Zwischenplatte 5.2 nicht fungieren. Diese Funktion übernimmt dann die Außenplatte 3, die gleichfalls vorzugsweise aus dem gleichen Metall und für die Sonnenstrahle 11 undurchlässig ist, und zur optimierten Absorption auf ihrer der Sonne zugewandten Oberfläche bedarfsweise zu sätzlich speziell hergerichtet oder bearbeitet oder beschichtet ist. Eine solche Verbundausführung bzw. Außenplatte 3 wäre dann auch für die Kombination und Verbindung mit einem Solarmodul geeignet und kann dafür ggf. zusätzlich noch speziell ausgebildet sein.
Grundsätzlich ermöglicht diese Erfindung entsprechend dem Bedarf, d. h. entsprechend den technischen Anforderungen und der spezifischen Eignung, eine Kombination der diesbezüglich beanspruchten Werkstoffe, der Platten- und Verbundarten, und dementsprechend vorteilhaftere mechanische wie physikalische Eigenschaften für den Bau und den Betrieb eines Flachkollektors gegenüber dem bisherigen Stand der Technik. Zusätzlich ermöglicht diese Erfindung die künftig kostengünstigere und damit wirtschaftlicher Herstellung solcher Kollektoren aufgrund dadurch möglicher rationellerer industrieller Herstellmethoden und Einsparung von Gewicht und dementsprechend von Primärwerkstoffen.

1: Rahmenprofil
2: Abdeckplatte
3: Kollektor-Außenplatte/Sonnenseite
4: Einlaufverteiler
5.1: Zwischenplatte/mechanisch verankert
5.2: Zwischenplatte/verschweißt oder verschmolzen
5.3: Zwischenplatte/mechanisch verankert und abgedichtet
6: Verteilerauslass
7: Kollektor-Einlauf
8: Abdichtung
9: Kollektor-Außenplatte/Rückseite
10: Wärmedämmung
11: Sonnenstrahlen
12: Kollektor-Auslauf
13: Hohlraum
14: Verankerungsbeschichtung
15: schweißtechnische Verbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 39379 A2 [0008]
- AT 502567 B1 [0008]
- DE 202006008162 U1 [0012]
- WO 96/07857 [0013]
- EP 1657497 A1 [0014]

Claims

Vorrichtung eines Flachkollektors zur dezentralen Gewinnung von Sonnenwärme, der u. a. aus einer Verbundplatte aus einer Zwischenplatte mit zwei im Abstand zueinander parallel angeordneten massiven und für gasförmige wie flüssige Medien dichten, ebenen, und nur an den Rändern miteinander verbundenen und abgedichteten, und in einer Richtung von einem Wärmeträgermedium vollflächig hinterströmten Außenplatten, und einer porösen Füllmasse mit offenen Hohlräumen besteht, und der alle für die optimale Funktion eines Flachkollektors zusätzlich erforderlichen bewährten Einrichtungen zugeordnet, oder an diese angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenplatte aus der Füllmasse besteht und selbst oder erst zusammen mit mindestens einer Außenplatte einen starren und stabilen Verbund definierter Dicke hat, und im wesentlichen über ihre komplette Fläche einen festen Verbund mit den zwei Außenplatten herstellt, und im Prinzip in ihrem gesamten Plattenquerschnitt in einer Richtung von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird, und je nach Flachkollektortyp nicht nur ein Wärmetauscher, sondern ggf. auch ein Absorber für die Sonnenstrahlen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllmasse ein Werkstoff ist, der zumindest aus einer gießbaren oder verfüllbaren Masse besteht, die nach ihrer Verarbeitung zu einer Zwischenplatte mit einer Materialstruktur in Form eines offenzelligen und regel- oder vorzugsweise unregelmäßig dreidimensional vernetzten Körpers ausgehärtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte im wesentlichen aus einem oder mehreren Werkstoffen bestehen kann, die homogen oder inhomogen sein können.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff die Materialstruktur der Zwischenplatte bildet und/oder schichtweise umgibt oder eine Beschichtung sein kann.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte oder der Werkstoff oder die Beschichtung schaumartig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte, der Werkstoff, oder die Beschichtung, oder zumindest deren Oberfläche zur besseren Absorption von Sonnenstrahlen speziell ausgeführt oder bearbeitet ist, oder dunkel eingefärbt oder pigmentiert ist, oder matt und schwarz ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte ein konstruktives Verbindungssystem bildet, dass zwischen den Außenplatten die entsprechenden Trag- und Verbundkräfte aufnimmt, diese auf die unzähligen vernetzten Verbindungen in der Struktur zerlegt und dementsprechend auf das gesamte Volumen des Plattenkörpers räumlich verteilt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte einen Wärmetauscher mit sehr großer innere Oberfläche, geringer Masse, und guter Wärmeleitfähigkeit bildet, die die Wärme schnell über eine vergrößerte Wärmeübertragungsfläche an das Wärmeträgermedium weiterleitet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, und 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte einen Strömungsraum für eine gute Durchströmung, Verwirbelung, und dementsprechend gleichmäßige Verteilung des Wärmeträgermediums an jeder Stelle der Zwischenplatte bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte auch einen Absorber für die Sonnenstrahlen bildet und für die Sonnenstrahlen undurchlässig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte für die Sonnenstrahlen durchlässig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte einen Absorber mit räumlich vergrößerter Absorberfläche für die Sonnenstrahlen bildet und für die Sonnenstrahlen teilweise durchlässig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, und 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der entsprechende Werkstoff im wesentlichen organischer Art ist, wobei Kunststoff eingeschlossen oder nicht eingeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der entsprechende Werkstoff im wesentlichen aus Kohlenstoff ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 6, und 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der entsprechende Werkstoff im wesentlichen anorganischer Art ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der entsprechende Werkstoff im wesentlichen mineralischer Art oder aus Glas ist, oder ein mineralisch gebundener oder keramischer Werkstoff ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der entsprechende Werkstoff ein Metall ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der entsprechende Werkstoff in wesentlichen aus Aluminium oder Kupfer oder einer Legierung mit zumindest diesen Werkstoffen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte aus regelmäßigen oder unregelmäßigen oder wirr angeordneten, dreidimensional vernetzten und/oder verhakten Metalldrähten oder -fasern, oder Kunststoff- oder Mineral- oder Glasfasern textiler Konstruktionsart gebildet ist, die von einem oder mehreren Werkstoff(en), oder insbesondere von Metall oder Aluminium oder von Kupfer umhüllt, oder entsprechend beschichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte aus im wesentlichen regelmäßigen dreidimensional vernetzten und/oder verhakten Metalldrähten oder -fasern gebildet ist, die jedoch nicht umhüllt oder beschichtet sind, und die Zwischenplatte erst durch den festen Verbund mit mindestens einer Außenplatte einen starren und stabilen Eigenverbund definierter Dicke erhält.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenplatte als separates Produkt hergestellt ist, und der weiteren Fertigung der Verbundplatte als industriell vorgefertigtes Halbzeug zur Verfügung steht, oder mit Hilfe mindestens einer Außenplatte als verlorene Schalung hergestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenplatte als separates Produkt auch aus mehreren kleineren Platten und/oder anderen Körperformen oder Profilen zusammengesetzt sein kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenplatten aus unterschiedlichen, dafür geeigneten Werkstoffen bestehen können.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Außenplatten für die Sonnenstrahlen durchlässig ist, und ggf. aus Glas oder Kunststoff besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Außenplatten für die Sonnenstrahlen undurchlässig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, und 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Außenplatten für die Kombination oder Verbindung mit einem Solarmodul geeignet und ggf. zusätzlich dafür ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenplatten als separates Produkt hergestellt werden, und der weiteren Fertigung der Verbundplatte als industriell vorgefertigtes Halbzeug zur Verfügung stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte mit den Außenplatten Werkstoff- und/oder formschlüssig, im wesentlichen über die gesamte Plattenfläche verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte mit mindestens einer Außenplatte schmelz- und/oder verschweißtechnisch oder pulvermetallurgisch verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte mit mindestens einer Außenplatte durch Kaltpressen oder Walzplattieren verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte mit mindestens einer Außenplatte galvanisch verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte mit mindestens einer Außenplatte verlötet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte mit mindestens einer Außenplatte durch Eintauchen und Verankern der Materialstruktur in die noch weiche und dann aushärtende Masse der Außenplatte verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte mit mindestens einer Außenplatte aus Glas durch Eintauchen und Verankern der Materialstruktur in die noch weiche und dann aushärtende Schmelzmasse der Außenplatte aus Glas verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte mit mindestens einer Außenplatte, die mit einer Beschichtung ausgestattet ist, durch Eintauchen und Verankern der Materialstruktur in die noch weiche und dann aushärtende Beschichtungsmasse der Außenplatte verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte mit mindestens einer Außenplatte durch mechanische Verkrallung verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 28 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte am Plattenrandbereich mit den Außenplatten nicht nur Werkstoff- und/oder formschlüssig, sondern auch druckdicht verbunden ist, indem sie in diesem Bereich mit einem Dichtmittel befüllt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 23 bis 33, und 35 und 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte am Plattenrandbereich der Außenplatten ausgespart ist, und die Außenplatten in diesem Bereich direkt miteinander schweißtechnisch verbunden und abgedichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 28 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstruktur der Zwischenplatte mit mindestens einer Außenplatte, und ggf. die Außenplatten im Plattenrandbereich direkt miteinander, mit einer Kombination aus den vorgenannten Verbindungsarten verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium ein flüssiges und/oder gasförmiges Medium ist.
Vorrichtung nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium im wesentlichen aus Wasser besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, das Wärmeträgermedium für die bessere Absorption von Sonnenstrahlen dunkel oder schwarz eingefärbt oder pigmentiert ist.