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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Sonnenkollektor mit Flüssigkeitskanälen,
die direkt in die Absorberfläche integriert sind. Diese
Kanäle haben Querschnitte von einigen µm bis hin
zu wenigen mm und bieten dadurch dem sie durchströmenden
Wärmeträgermedium eine relativ große
Austauschfläche. Die Mikrokanäle sind dicht an
dicht angeordnet und erfassen damit die Absorberfläche
vollständig, wodurch der Kollektor ohne das konventionelle
Rohreitungssystem in seinem Inneren auskommt. Die Absorberfläche
kann als einheitliche Platte oder in Form von einzelnen, parallel
verlaufenden Streifen mit eckigem oder runden Querschnitt ausgeführt
sein, die in einem gewissen Abstand zueinender angebracht sind.
Sie befindet sich im Inneren eines Gehäuses, das auf der
Oberseite durch eine durchsichtige Glas- der Kunststoffscheibe abgedeckt
und entsprechend gegen Wärmeverluste isoliert ist. Ein
verminderter oder minimaler Luftdruck im Inneren des Kollektors
kann die Wärmeausbeute zusätzlich verbessern.
Er kann sowohl als Solarthermiekollektor als auch als kombinierter
Solarthermie/Photovoltaikkollektor konstruiert sein.
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Die
Nutzung der Sonnenenergie für den täglichen Gebrauch
hat nicht zuletzt wegen der immer knapper werdenden klassischen
Energieträger eine neue Aktualität erlangt. Obwohl
die Photovoltaik in den letzten Jahrzehnten große Fortschritte
gemacht hat, blieb ihr ein breiter Durchbruch verwehrt. Die Kosten
für den so gewonnenen Solarstrom sind derzeit noch nicht
konkurrenzfähig.
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Solarthermieanlagen
hingegen sind insbesondere in südlichen Regionen auf dem
Vormarsch. Aber auch in unseren Breiten nimmt deren Nutzung als
Ergänzung bestehender Systeme zur Trinkwassererwärmung
und Heizung zu. Gegenüber den Photovoltaikanlagen haben
Solarthermieanlagen einige Vorteile: Ihre Technik ist relativ einfach,
die erforderlichen Investitionen halten sich dadurch in Grenzen.
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Einer
der wichtigsten Bestandteile von Solarthermieanlagen sind die Sonnenkollektoren.
Sie wandeln die Wärmeenergie der Sonne in nutzbare thermische
Energie um. Derzeit funktionieren nahezu alle kommerziell erhältlichen
Kollektoren nach dem gleichen Prinzip:
Ein Fluid für
den Wärmetransport wird im Inneren von speziell konstruierten
und angeordneten Rohren oder Schläuchen von der Sonnen
erwärmt. Durch Umpumpen dieses Fluids wird die Wärme
aus dem Kollektor transportiert.
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Die
derzeit für die Brauchwassererwärmung kommerziell
erhältlichen Kollektoren lassen sich wie folgt klassifizieren:
Flachkollektoren
Vakuum-Röhren
Kollektor
Absorbermatten/Schläuche
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Flachkollektoren:
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Dieser
Kollektortyp ist wie folgt aufgebaut: Unter einer Deckscheibe befindet
sich eine dunkle Absorberfläche. Darunter sind Rohre angebracht,
die von einem Wärmeträger durchströmt
werden. Die Absorberfläche wird von der Sonnenstrahlung
erwärmt und somit auch die Wärmeträgerflüssigkeit
in den Rohren, die dann die Wärme aus dem Kollektor transportiert.
Um die Wärmeverluste so gering wie möglich zu
halten, werden die Kollektoren mit einem Dämmstoff ausgekleidet,
bzw. evakuiert.
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Vakuum-Rören Kollektoren
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Sind
Hochleistungskollektoren und deutlich teurer als die Flachkollektoren.
Mit ihnen können auch höhere Temperaturen erzielt
werden. Dieser Kollektor besteht aus konzentrischen Röhren
in dessen Inneren Vakuum herrscht. Die äußere
Glasröhre ist durchsichtig, die innere ist speziell beschichtet.
Im Inneren der inneren Röhre verlaufen die Wärmeträgerrohre,
die ihrerseits in Metallprofile zum besseren Wärmetransport
eingearbeitet sind. Die konzentrischen Röhren befinden
sich im Brennpunkt von speziellen Spiegeln, die die Wärmestrahlung
auf der Röhre bündeln.
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Absorbermatten/Schläuche
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Dies
ist die preiswerteste und einfachste Art thermische Energie aus
der Sonne zu gewinnen. Durch das Fehlen einer Deckscheibe oder Isolierung sind
die Wärmeverluste entsprechend hoch und die Wirkungsgrade
gering. Oft handelt es sich dabei um eine Anordnung von schwarzen
Kunststoffschläuchen oder dunklen Kunststoffmatten, die
in der Sonne ausgebreitet und von der Wärmeträgerflüssigkeit (zumeist
Wasser) durchströmt werden. Sie werden oft zur Erwärmung
des Wassers in Freibädern eingesetzt.
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In
der Literatur sind unzählige Varianten dieser Kollektoren
beschrieben. High-Tech Lösungen verwenden Vakuum-Röhren,
low cost Ausführungen Kunststoffrohre oder Schläuche
zum Wärmeträgertransport. Stellvertretend sind
nachfolgend einige Schutzrechte benannt:
In der US-Anmeldung
US 2008/0047548 A1 beispielsweise wird ein Flachkollektor beschrieben,
der Mineral-Wolle zur inneren Wärmedämmung verwendet.
Sein Aufbau entspricht ansonsten der klassischen Konstruktion eines
Flachkollektors mir Rohren zum Transport des Wärmeträgermediums.
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Der
in der Anmeldung
WO
2008/051068 A1 beschriebe Kollektor verzichtet hingegen
gänzlich auf Rohrleitungen zum Transport des Wärmeträgers in
seinem Inneren. Die Flüssigkeit fließt zwischen zwei
Platten, von denen die untere dunkel eingefärbt ist und
die obere durchsichtig. Zur Verringerung von Wärmeverlusten
ist dieser Sandwich in einem Gehäuse von einer weiteren
durchsichtigen Scheibe abgedeckt.
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In
der Patentschrift
AU
2002301425 B2 wird ein weiterer Kollektor beschrieben,
bei dem das Wärmeträgermedium zwischen zwei Platten
zirkuliert. Die Anmeldung befasst sich schwerpunktmäßig
mit der Methode zur Herstellung eines solchen Platte. Hier werden
zwei Halbzeugplatten so eingedrückt, aufeinander gepresst
und verbunden, dass sich dazwischen Stege und Höhlräume
(Kanäle) bilden, die von einer Flüssigkeit durchströmt
werden können.
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Die
Europäische Patentanmeldung
EP 1 916 486 A2 hat ebenfalls einen Kollektor
zum Gegenstand bei dem die Flüssigkeitskanäle
zum Teil direkt in die Absorberplatte integriert sind. Dieser Kollektor funktioniert
nach dem Heat-pipe Prinzip. In einem Teil der Kanäle befindet
sich eine niedrigsiedende Flüssigkeit, die durch Wärmeeinwirkung
verdampft und bei der Kondensation Wärme abgibt. Die Wärme
wird von der Platte an das eng im Kontakt stehende Transportrohr
der Wärmeträgerflüssigkeit übertragen.
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Die
Patentanmeldung
WO
2008/017091 A1 hat einen Solarkollektor zur bedarfsangepassten
Erfassung von Sonnenstrahlung zum Gegenstand. Hier wird durch eine
besonders ausgestaltete, verspiegelte Reflektorfläche das
Absorberelement in Abhängigkeit des Einstrahlwinkels stärker
oder schwächer der Sonnenstrahlung ausgesetzt.
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Insbesondere
Low-cost Kollektoren verwenden flexible Materialien bei den Absorberflächen:
Die
Anmeldung
WO 2007/113351
A1 beispielsweise beschreibt ein System bei dem die Wärmeträgerflüssigkeit
durch eine Ansammlung von Rohr- oder Schlauchringen fließt,
die ihrerseits auf einer dunklen, isolierender Folie platziert sind.
Um die Wärmeverluste zu verringern wird der Aufbau von
einer weiteren, durchsichtigen Folie abgedeckt.
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Der
Kollektor, der in der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2005 001 488 U1 beschrieben
ist besteht vollkommen aus flexiblen Werkstoffen und ist als aufblasbarer
Kollektor konzipiert.
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Die
Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt
einen gewundenen Schlauch in seinem Inneren, der in Luftkammern
eingebettet ist. Der obere Teil dieser Kammern ist durchsichtig,
der untere und der Schlauch dunkel eingefärbt.
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Obwohl
einige der hier aufgeführten Beispiele auf Rohre im Inneren
verzichten und die Wärmeträgerflüssigkeit
durch Kanäle im Kollektorinneren zirkuliert, sind sie doch
im Grunde „klassisch” aufgebaut. Das Oberfläche/Volumenverhältnis
entspricht weitergehend dem bei von Kollektoren, die Rohre an der
Absorberfläche verwenden.
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Mikrostrukturen,
also Flüssigkeitskanäle mit Durchmessern von einigen µm
oder wenigen mm weisen ein sehr günstiges Oberfläche/Volumenverhältnis
auf. Dies führt zu einem besseren Wärmeaustausch
dank der größeren Austauschfläche bezogen auf
das Flüssigkeitsvolumen. Mikrostrukturen für den Flüssigkeitstransport
sind Stand der Technik und werden für chemische oder analytische
Anwendungen in Fluidik-Komponenten eingesetzt.
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Die
Patentanmeldung
WO
02/089965 A1 beispielsweise beschreibt einem Statischen
Mischer, bei dem die beiden zu mischenden Flüssigkeiten
im Inneren über Mikrokanäle transportiert werden.
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In
der Patentanmeldung
WO
02/075298 A2 wird eine Kunststoffplatte beschrieben, die
der elektrophoretischen Auftrennung von Molekülen dient.
In die Platte eingearbeitet ist eine Ansammlung von parallel verlaufenden
Mikrokanälen.
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Ausgehend
von dem hier beschrieben Stand der Technik liegt der vorliegenden
Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kollektor für die
Solarthermie zu beschreiben, bei dem die Absorberfläche
von Mikrokanälen durchzogen wird, durch die das Wärmeträgermedium
fließt. Durch das sehr günstige Verhältnis
Oberfläche/Flüssigkeitsvolumen wird ein besserer
Wärmeaustausch gewährleistet. Auch wird durch
das Fehlen von zusätzlichen Rohreitungen im Kollektorinneren
der Aufbau vereinfacht was die Herstellungskosten senkt.
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Die
Grundidee des neuen Kollektors besteht darin, die Wärmeträgerflüssigkeit
direkt durch eine Absorberfläche zu leiten und gänzlich
auf das konventionelle Rohrleitungssystem zu verzichten. Um eine
möglichst große Kontaktfläche der Wärmeträgerflüssigkeit
zu gewährleisten, fließt diese parallel in vielen
Mikrokanälen mit Dimensionen im Mikrometerbereich bis hin
zu einigen mm. Die Mikrokanäle sind dicht an dicht angeordnet
und erfassen damit die Absorberfläche vollständig.
Die Absorberfläche kann aus einem einzigen Stück
bestehen und als Platte gestaltet sein. Sie kann aber auch aus parallel
verlaufenden Streifen mit eckigem oder rundem Querschnitt bestehen,
die in einem gewissen Abstand zueinander angeordnet sind. Durch
die Integration der Wärmeträgerkanäle
in eine möglichst dünne Absorberplatte oder -streifen
wird eine hohe Effizienz gewährleistet. Die Platte oder
die Streifen können sowohl aus Metallen wie Aluminium,
Kupfer usw. bestehen; sie können aber auch aus Kunststoffen
oder Keramik gefertigt werden. Die vergleichsweise schlechte Wärmeleitfähigkeit
von Kunstoffen oder Keramiken gegenüber metallischen Komponenten
wird hier zum Vorteil, da bekanntermaßen die Effizienz
mikrostrukturierter Wärmetauscher von einer geringen lateralen Wärmeleitung
profitiert. Als Kunststoffe kommen hierfür nur Polymere
in Betracht, die eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen.
Hierzu zählen neben speziellen Thermoplasten wie PTFE;
POM; PA usw. oder Elastomeren wie z. B. SI; SR; NBR; PU; EPM; EPDM
usw. vor allem Duromere (Duroplaste) wie z. B. UF; MF; PF; UP; EP
usw.
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In
Abhängigkeit, ob die Absorberplatte aus einem einzigen
Stück besteht (1), oder sich aus mehreren Teilstücken
(Streifen) zusammensetzt (2 und 3)
ist ein solcher Kollektor unterschiedlich aufgebaut. Beispiele verschiedener
Querschnitte der Mikrostrukturen in der Absorberplatte oder -streifen
bzw. der Absorberstreifen selbst sind in 4 beispielhaft
dargestellt. Kombinationen dieser Querschnittsgeometrien sowie auch
weitere geometrische Formen sind möglich.
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Bei
dem in 1 dargestellten Kollektor umgibt eine äußere
Hülle (Rahmen) [1] die Halterung [4] für
die einzelnen Platten. Zwischen Rahmen [1] und Halterung
[4] befindet sich ein Wärmeisolator [3]
aus Kunststoff oder einem anderen isolierenden Material. Mit der
Halterung [4] sind die transparente Abdeckplatte [2],
die Absorberplatte [6], die Isolationsschicht [9]
und die untere Abdeckplatte [5] verbunden. Die transparente
Abdeckplatte [2] kann sowohl aus Glas als auch aus einem
transparenten Kunststoff gefertigt sein und soll den Wärmeverlust
so gering wie möglich halten. Als Wärmeisolationsmaterial
kommt bei der Schicht [9] ähnlich wie bei [3]
entweder ein Kunststoff oder ein anderes Material mit guten isolierenden Eigenschaften
in Betracht. In die Absorberplatte [6] sind über
die gesamte Plattenlänge die Mikrokanäle eingearbeitet.
Sie sind dicht gepackt und verlaufen parallel zueinander. Ihre Enden
sind offen und münden in die Sammelkanäle [8]
und [7] in der Halterung, die über die ganze Breite
der Platte verlaufen. Sowohl [7] als auch [8]
können bei Bedarf an einem ihrer Enden durch entsprechend
abgedichtete Verschraubungen verschlossen werden. Dadurch können
die Kollektoren entweder einzeln betrieben oder zu Anordnungen zusammengefügt
werden. Pumpt man ein Wärmeträgermedium (z. B.
Wasser oder Glycol/Wasser) z. B. durch [7] und ist dieser
Kanal an einem Ende verschlossen, so wird die Flüssigkeit
durch die Kanäle im Inneren von [6] gedrückt,
wird an deren entgegen gesetzten Ende wieder austreten und in [8] gesammelt
werden. Beim Durchströmen von [6] nimmt die Flüssigkeit
die über [2] eingestrahlte Wärmeenergie
auf. Am offenen Ende von [8] wird die jetzt warme Wärmeträgerflüssigkeit
aus dem Kollektor geleitet und steht dem externen Kreislauf zur
Verfügung. Um die Wärmeverluste so gering wie
möglich zu halten, kann der Kollektor evakuiert, bzw. der
Luftdruck in seinem Inneren auf ein Minimum abgesenkt worden sein.
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Unterteilt
man die Kollektorfläche [6] in einzelne Segmente
(Streifen) und ordnet diese in gewissen Abständen parallel
zueinander an, so erhält man den in 2 dargestellten
Kollektor. Diese Streifen können entweder einzeln mit dem
Träger [4] verbunden werden oder ihrerseits in
Sandwich-Bauweise zwischen zwei durchsichtigen Trägerplatten
befestigt sein. Im Inneren dieses Sandwichs kann der Luftdruck auf
ein Minimum abgesenkt worden sein. Die Tatsache, dass die in 2 dargestellte
Kollektorfläche [6] nicht wie in 1 geschlossen
ist, sondern mehrere, lichtdurchlässige Partien hat, hat
den Vorteil dass unterhalb der Kollektorfläche [6]
eine Spiegelfläche [10] eingebaut werden kann.
Diese Spiegelfläche [10] ist so strukturiert und
angebracht, dass sich die Kollektorelemente (Streifen) [6]
jeweils in den Brennachsen der parallel zueinander verlaufenden Spiegelwölbungen
befinden. Dadurch werden die Kollektorelemente [6] von
beiden Seiten der thermischer Strahlung ausgesetzt was die Wärmeübertragung
zusätzlich verbessert. Zwischen der Spiegelfläche
[10] und der unteren Abdeckplatte [5] befindet sich
wie bereits in 1 dargestellt eine Isolationsschicht
[9]. Der weitere Aufbau einschließlich der übrigen
Bezeichnungen, sowie die Funktionsweise des Kollektors entspricht
jener aus 1.
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Eine
konstruktive Variante des in 2 dargstellten
Kollektors, ist in 3 wiedergegeben. Hier wurde
jeder Streifen [6] mit dem Mikrokanälen für
das Wärmeträgermedium nach dem Vorbild der Vakuum-Röhrenkollektoren
im Inneren einer eigenen Röhre [2] angebracht.
Die Querschnittsgeometrie dieser Röhre kann unterschiedlich
sein (z. B. eckig; rund; usw). Im Inneren dieser Röhren
kann der Luftdruck auf ein Minimum abgesenkt worden sein. Auf die
obere durchsichtige Abdeckplatte und auf die zusätzliche
Wärmeisolation unter der Spiegelfläche wurde verzichtet.
Die Funktion und alle anderen Bezeichnungen entsprechen denen aus 2 bzw. 1.
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An
Anlehnung an diese Konstruktion ist auch ein Aufbau denkbar, bei
dem auch die Spiegelfläche in einzelne Streifen unterteilt
wird. Die einzelnen Röhren mit den darunterliegenden Speigel-Halbschalen
sind in einem gewissen Abstand zueinander angebracht. Dies hat den
Vorteil, dass z. B. Schnee im Winter durch die einzelnen Streifen
hindurchfallen kann und die Schneelast verringert wird.
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Die
in 4 dargestellten Querschnittgeometrien der Kanäle
im Inneren der Absorberplatte bzw. Absorberelemente [6],
sowie die Geometrien dieser Elemente selbst, sind als Ausführungsbeispiele
zu verstehen. Kombinationen dieser Querschnittsgeometrien sowie
auch weitere geometrische Formen sind möglich.
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Werden
bei den oben dargestellten Aufbauten auf der oder den Absorberflächen
Photovoltaikmodule angebracht erhält man einen kombinierten Solarthertmie/Photovoltaikkollektor.
Alternativ können die hier dargestellten Mikrostrukturen
auch direkt in die Photovoltaikmodule integriert werden. Der Vorteil
besteht darin, dass man auf diese Weise eine Überhitzung
der Photovoltaikelemente verhindern und gleichzeitig Wärmeenergie
für andere Anwendungen gewinnen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2008/051068
A1 [0010]
- - AU 2002301425 B2 [0011]
- - EP 1916486 A2 [0012]
- - WO 2008/017091 A1 [0013]
- - WO 2007/113351 A1 [0014]
- - DE 202005001488 U1 [0015]
- - WO 02/089965 A1 [0019]
- - WO 02/075298 A2 [0020]