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Die
Erfindung betrifft einen Solarkollektorgrundkörper für einen Solarkollektor, insbesondere einen
Flachkollektor, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiter
betrifft die Erfindung einen Solarkollektor, insbesondere einen
vollflächig
durchströmbaren
Solarkollektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
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Allgemein
bekannt sind aus dem Stand der Technik Solarkollektoren, welche
ein durch den Solarkollektor durchströmendes Fluid zur Wärmegewinnung
erwärmen.
In thermischen Solarkollektoren gemäß dem Stand der Technik wird
das durchströmende
Kollektor- oder Solarfluid durch die einfallende Solarstrahlung
erwärmt.
Solarkollektoren umfassen üblicherweise
einen Absorber zur Aufnahme der Energie einfallender Sonnenstrahlen.
Leitungen oder dergleichen, welche von dem Kollektor- oder Solarfluid durchströmt werden,
sind in dem Absorber eingebettet. Aufgrund seiner Eigentemperatur
gibt der Absorber auch Wärme
ab. In einem Stagnationsfall sind die Wärmeverluste, welche an die
Umgebung abgegeben werden, etwa genauso groß wie die eingestrahlte Sonnenenergie.
Je effektiver ein Solarkollektor die Solarstrahlung absorbiert,
umso höher
liegt in der Regel die Temperatur im Stagnationsfall. Diese Temperaturen
im Stagnationsfall liegen bei gängigen Flachkollektoren,
hohen Außenlufttemperaturen
und maximaler Solarstrahlung üblicherweise
zwischen 180°C
und 230°C.
Dadurch wirken sie sich schädlich auf
den Solarkollektor aus. Kollektormaterialien und Kollektorfluid
müssen
für diese
hohen Temperaturen ausgelegt werden, sind somit kosten- und arbeitsintensiv
und verschleißen
schneller. Das Kollektorfluid, welches üblicherweise eine Wasser-Glykol-Mischung
umfasst, beginnt sich bei hohen Temperaturen zu zersetzen. Zur Erhöhung des
Wirkungsgrades werden in solarthermischen Kollektoren selektive
Beschichtungen eingesetzt, die die Absorption der Sonneneinstrahlung
maximieren und den Verlust durch infrarote Wärmestrahlung minimieren. Diese
Schichten haben den Nachteil, dass der beschichtete Absorber im
Stagnationsfall, wenn der Kollektor nicht durchströmt wird,
die Sonne jedoch scheint, sich stark bis über 200°C erhitzt. Ohne die Wärmeverluste durch
Strahlung einzudämmen,
würde der
Wirkungsgrad jedoch stark absinken und der solare Jahresertrag kleiner
ausfallen. Eine Reduzierung der Infrarotverluste ist daher zwingend erforderlich.
Damit der Absorber jedoch nicht überhitzt,
gibt es verschiedene Lösungen,
die sich grob in drei Kategorien unterteilen lassen: Maßnahmen,
welche die einfallende Sonnenstrahlung beeinflussen, Maßnahmen,
welche die Wärmeverluste
des Kollektors beeinflussen, und Kühlsysteme, die für einen
ständigen
Wärmeabtransport
sorgen. Bekannte statische Verfahren für einen Überhitzungsschutz sind darauf
optimiert, möglichst die
gesamten Wärmeverluste
zu minimieren, das heißt,
ein niedriges Emissionsvermögen
und somit gute Reflexionseigenschaft für Wellenlängen größer als 2,5 μm zu realisieren.
Dies hat zur Folge, dass das Emissionsvermögen unabhängig von der Absorbertemperatur
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Solarkollektorgrundkörper und
einen verbesserten Solarkollektor zu schaffen, welcher die Stagnationstemperatur
auf einen vorgebbaren Wert begrenzt. Insbesondere ist es eine Aufgabe,
die Stagnationstemperatur so zu begrenzen, dass Kunststoffe mit
relativ niedrigen Schmelzpunkten als Kollektormaterial verwendbar
sind. Gleichzeitig soll ein hoher Jahresertrag erzielt werden.
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Erfindungsgemäß wird dies
durch die Gegenstände
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und des Patentanspruchs
10 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Der
erfindungsgemäße Solarkollektorgrundkörper für einen
Solarkollektor, insbesondere einen Flachkollektor, mit einer mittels
einer in wenigstens einer Richtung solarstrahlungsdurchlässigen Absorberabdeckscheibe
begrenzbaren Absorberaufnahme und einem Absorberüberhitzungsschutz zur Vermeidung
einer Absorberüberhitzung
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberüberhitzungsschutz als eine
selektiv reflektierende Beschichtung an der Absorberabdeckscheibe
ausgebildet ist. Die Beschichtung ist insbesondere transparent und
lässt Solarstrahlung
eindringen. Geeignete Beschichtungen sind als sogenannte Low-E-Schichten
und Low-E-Schichtsysteme bekannt, wobei Low-E übersetzt low emissivity bedeutet.
Sie besitzen bei hoher Transmission im solaren Teil des Spektrums
im infraroten Spektralbereich größer 2,5
Mikrometer eine hohe Reflexion und eine damit verbundene niedrige Emissivität. Dadurch
wirken sie als gute Reflektoren für Wärmestrahlung und verleihen
Glas und durchsichtigen Polymerfolien sehr gute Wärmedämmeigenschaften,
die sie ohne eine solche Beschichtung nicht hätten. Ein typischer Vertreter
der homogenen Low-E-Schichten ist beispielsweise eine Schicht aus In2θ3:Sn (ITO). Ein typischer Vertreter von Low-E-Schichtsysteme ist
ein System aus Schichten, in das als Funktionsschicht eine solche
aus Silber eingeschlossen ist. In den Schichtsystemen werden anstelle
der Silberschicht auch Gold- oder Kupferschichten zur Erzeugung
der hohen Reflexion im infraroten Spektralbereich eingesetzt.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschichtung
an einer einem Absorber zugewandten Seite der Absorberabdeckscheibe
ausgebildet ist. Die Absorberabdeckscheibe ist bevorzugt aus einem
transparenten Material wie Glas, Floatglas, Kunststoff oder dergleichen
ausgebildet.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschichtung
an einem vorbestimmbaren Teilbereich der solardurchlässigen Absorberabdeckscheibe
ausgebildet ist, wobei ein Verhältnis
von beschichtetem Teilbereich zum unbeschichteten Bereich so ausgewählt ist,
dass der Absorber vor Überhitzung
geschützt
ist.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschichtung
an einem vorbestimmbaren Teilbereich der solardurchlässigen Absorberabdeckscheibe
ausgebildet ist, wobei ein Verhältnis
von beschichtetem Teilbereich zum unbeschichteten Bereich so ausgewählt ist,
dass sich eine homogene Absorbertemperatur einstellt.
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Weiterhin
kann die Beschichtung mehrere zueinander beabstandete Beschichtungsabschnitte aufweisen.
Dabei sind die Beschichtungsabschnitte vorzugsweise in einem Muster
angeordnet, insbesondere in einem Linienmuster, einem Schachbrettmuster
und dergleichen. Zudem können
die Beschichtungsabschnitte in einer Form ausgebildet sein, insbesondere
umfassend geometrische Formen wie Quadrate, Dreiecke, Kreise, Ellipsen,
Polygone und dergleichen.
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Noch
ein anderes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Abstand zwischen
zwei Beschichtungsabschnitten so ausgewählt ist, dass der Bereich darunter
temperaturspitzenfrei ausgebildet ist und sich insbesondere darunter
keine Temperaturspitzen wie Hotspots bilden. Insbesondere kann der
Abstand zwischen benachbarten Beschichtungsabschnitten weniger als
einige Millimeter bis hin zu mehr als einigen Zentimetern betragen.
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Vorteilhafterweise
ist vorgesehen, dass die Dicke der Beschichtung derart gewählt ist,
dass diese mit Standardbeschichtungsverfahren auf der Absorberabdeckscheibe
ausbildbar ist. Zu diesen Verfahren gehören Standardbeschichtungstechniken
wie Maskenverfahren, Druckverfahren, Ätzverfahren, Sputterverfahren,
Sol-Gel-Verfahren und dergleichen.
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Der
erfindungsgemäße Solarkollektor,
insbesondere ein vollflächig
durchströmbarer
Solarkollektor, mit einem Solarkollektorgrundkörper, ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Solarkollektorgrundkörper als
erfindungsgemäßer Solarkollektorgrundkörper ausgebildet
ist.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Solarkollektorgrundkörper und
dem erfindungsgemäßen Solarkollektor
wird ein sicherer Absorberüberhitzungsschutz bei
gleichzeitig hohem Jahresertrag realisiert, der den Einsatz von
Kunststoffen als Absorberwerkstoff ermöglicht. Der Absorberüberhitzungsschutz
verhindert effektiv eine Beeinträchtigung
von Kunststoff aufgrund einfallender Solarstrahlung und einem damit
verbundenen Temperaturanstieg an dem Absorber. Zudem ist der Absorberüberhitzungsschutz
einfach aufgebaut und lässt
sich leicht auf der Absorberabdeckscheibe anbringen, insbesondere
an einer Glas-Absorberabdeckscheibe.
Bei dem erfindungsgemäßen Absorberüberhitzungsschutz
handelt es sich um ein statisches System, das heißt, es gibt
keine beweglichen Teile oder Mechanismen, sodass kein oder nur ein
unwesentlicher Verschleiß auftreten.
Dadurch ist eine hohe Langzeitstabilität des Absorberüberhitzungsschutzes
und somit des Absorbers und des Solarkollektorgrundkörpers gewährleistet.
Weil keine beweglichen Teile für
den Überhitzungsschutz
erforderlich sind, ist auch keine Fremdenergie wie zusätzliche
elektrische Energie erforderlich, sodass ein effektiver und energiesparender Überhitzungsschutz
realisiert ist. Für
den Überhitzungsschutz
lassen sich alle Low-E-Schichten
verwenden. Durch die Erfindung lassen sie sich so einstellen, dass
eine maximale Absorbertemperatur gezielt für möglicherweise auftretende ungünstigste
Betriebsbedingungen eingestellt werden kann.
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Die
Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele
der Erfindung dar. Es zeigt:
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1 ein
Diagramm mit Kennlinien von verschiedenen Kollektoren, bei dem ein
Kollektorwirkungsgrad über
einer Absorbertemperatur aufgetragen ist,
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2 schematisch
eine Draufsicht auf eine Absorberabdeckscheibe mit einem erfindungsgemäßen Absorberüberhitzungsschutz,
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3 schematisch
in einer Querschnittsansicht einen Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels
eines Solarkollektorgrundkörpers
und
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4 schematisch
in einer Querschnittsansicht einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines Solarkollektorgrundkörpers.
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1 zeigt
ein Diagramm mit Kennlinien von verschiedenen Kollektoren A, B und
C, bei dem ein Kollektorwirkungsgrad über einer Absorbertemperatur
aufgetragen ist. Auf der Abszisse des Diagramms ist die Absorbertemperatur
in °C aufgetragen,
auf der Ordinate des Diagramms ist der Kollektorwirkungsgrad aufgetragen.
Mit drei unterschiedlichen Linientypen sind die Kennlinien von drei
unterschiedlichen Kollektoren A, B, C in das Diagramm eingetragen.
An dem Schnittpunkt der jeweiligen Kennlinie mit der Abszisse ist
durch einen ausgefüllt
dargestellten Punkt die Stagnationstemperatur des jeweiligen Kollektors dargestellt.
Die Kollektoren weisen alle nicht selektive Absorber auf. Kollektor
A, dessen Kennlinie durch eine Strich-Punkt-Linie dargestellt ist,
ist ein Kollektor mit einer unbeschichteten Absorberabdeckscheibe und
folglich hohen Wärmeverlusten.
Der mit Kollektor A zu erzielende Ertrag ist eher als niedrig einzustufen,
was durch die relativ steil abfallende, leicht konkav verlaufende
Kurve von einem Wirkungsgrad 0,85 bei etwa 40°C auf einen Wirkungsgrad von
0,0 bei etwa 125°C,
deutlich wird. Einen flacheren Abfall weist die Kennlinie von Kollektor
B auf. Kollektor B ist ein Kollektor mit einer vollflächig beschichteten
Absorberabdeckscheibe. Hierdurch weist der Kollektor B stark reduzierte
Wärmeverluste
auf, jedoch stellt sich für
den Kollektor B eine hohe Absorbertemperatur ein. Die Kennlinie
verläuft
von einem Wirkungsgrad knapp unter 0,85 bei etwa 40°C auf einen
Wirkungsgrad 0,0 bei etwa 250°C,
der Stagnationstemperatur.
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Die
Kennlinie von Kollektor C, dargestellt durch die gestrichelte Linie,
verläuft
im Wesentlichen zwischen den Kennlinien von Kollektor A und Kollektor
B. Kollektor C weist eine Absorberabdeckscheibe mit einem Muster
an beschichteten und unbeschichteten Bereichen, also mit Low-e-Schicht
und ohne Low-e-Schicht, auf. Diese sind so eingestellt, dass Wärmeverluste
reduziert sind. Durch dieses Muster lässt sich ein effektiver Arbeitsbereich
des Solarkollektors einstellen, der zwischen den ineffektiven Bereichen
der Kollektoren A und B liegt. Die Kennlinie von Kollektor C verläuft ebenfalls
leicht konkav fallend von einem Wirkungsgrad knapp unter 0,85 bei 40°C auf einen
Wirkungsgrad von 0,0 bei etwa 160°C,
der entsprechenden Stagnationstemperatur des Kollektors C. Eine
mögliche
Ausführungsform des
Kollektors C ist in 2 näher dargestellt.
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2 zeigt
schematisch eine Draufsicht auf eine Absorberabdeckscheibe 1 mit
einem erfindungsgemäßen Absorberüberhitzungsschutz 2.
Die Absorberabdeckscheibe 1 weist in der Draufsicht eine
rechteckige Kontur auf. Der Absorberüberhitzungsschutz 2 ist
als Low-e-Beschichtung
ausgebildet. Die Beschichtung ist an einer hier nicht dargestellten,
dem Absorber zugewandten Seite der Absorberabdeckscheibe 1 angeordnet.
In der Figur ist die Beschichtung als mehrteilige Beschichtung ausgebildet,
die insbesondere mehrere in der Draufsicht quadratische Beschichtungsabschnitte 3 aufweist. Die
Beschichtungsabschnitte 3 weisen vorliegen alle die gleiche
Form auf, können
aber auch jeweils unterschiedlich ausgebildet sein. Auf der Absorberabdeckscheibe 1 sind
die Beschichtungsabschnitte etwa äquidistant voneinander beabstandet
angeordnet, sodass die Beschichtung etwa schachbrettartig ausgebildet
ist. Das Verhältnis
von der beschichteten Fläche
zu einer unbeschichteten Fläche
der Absorberabdeckscheibe 1 ist so gewählt, dass möglichst eine homogen verteilte
Absorbertemperatur erzielt wird und insbesondere der Absorber nicht überhitzt wird.
Beispiele für
unterschiedlich ausgebildete Muster, insbesondere Abstände zwischen
den Beschichtungsabschnitten 3 sind in den beiden folgenden
Figuren dargestellt.
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3 zeigt
schematisch in einer Querschnittsansicht einen Ausschnitt eines
ersten Ausführungsbeispiels
eines Solarkollektorgrundkörpers 4.
Der Ausschnitt des Solarkollektorgrundkörpers 4 umfasst die
Absorberabdeckscheibe 1, welche den als mehrteilige Beschichtung
ausgebildeten Absorberüberhitzungsschutz 2 aufweist.
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Beabstandet
zu der Absorberabdeckscheibe 1 ist ein Absorber 5 dargestellt,
der hier nur ausschnittsweise angedeutet ist. Die Beschichtung ist nach
dem in 2 dargestellten Muster mit entsprechenden Beschichtungsabschnitten 3 ausgebildet. Die
Beschichtungsabschnitte 3 sind voneinander beabstandet
angeordnet, sodass sich eine alternierende Folge von beschichteter
Fläche
und unbeschichteter Fläche
der Absorberabdeckscheibe 1 ergibt. Durch die in 3 dargestellten
Pfeile P wird eine Strahlung repräsentiert. Grundsätzlich kann
die von dem Absorber ausgesendete Strahlung die Beschichtungsabschnitte 3 nicht
passieren und wird von dort wieder reflektiert. Durch die nicht
beschichtete Fläche
der Absorberabdeckscheibe 1 kann die Strahlung durchtreten
und an die Umgebung abgegeben werden. Je nachdem, ob die Strahlung
durch die Absorberabdeckscheibe abgegeben wird oder nicht, erhöht sich
die Temperatur des Absorbers 5, genauer dessen Oberflächentemperatur.
Dies ist in dem Temperaturdiagramm der 3, welches
eine Temperatur über
eine Strecke x aufträgt, dargestellt.
Die Strecke x entspricht dem darüber
abgebildeten Streckenabschnitt des Solarkollektorgrundkörpers 4.
Wie an dem Temperaturverlauf in dem Temperaturdiagramm zu erkennen
ist, kommt es in dem Bereich, in dem die Strahlung von den Beschichtungsabschnitten
reflektiert wird, zu lokalen Temperaturanstiegen, sogenannten Notspots.
Die Oberflächentemperatur
des Absorbers 5 ist somit inhomogen, das heißt stark schwankend.
Um eine homogene Oberflächentemperatur
des Absorbers zu realisieren, ist eine andere Geometrie des Musters
zu wählen,
insbesondere ein anderer Abstand zwischen den Beschichtungsabschnitten 3.
Eine mögliche
Ausführungsform
mit geeigneten Abständen
ist in 4 wiedergegeben.
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4 zeigt
schematisch in einer Querschnittsansicht einen Ausschnitt eines
zweiten Ausführungsbeispiels
eines Solarkollektorgrundkörpers 4.
Der Solarkollektorgrundkörper
nach 4 unterscheidet sich von dem Solarkollektorgrundkörper ausschließlich in
dem gewählten
Muster der Beschichtungsabschnitte 3, insbesondere deren
Abstand zueinander und deren Ausdehnung, insbesondere in der dargestellten
Richtung bzw. Strecke x, welche auch in dem zugehörigen Temperaturdiagramm
wiedergegeben ist. Gemäß 4 sind
die Beschichtungsabschnitte 3 in x-Richtung kürzer und die
Abstände
zwischen benachbarten Beschichtungsabschnitten 3 sind ebenfalls
kürzer,
sodass auf der gleichen Strecke x wie in 3 mehrere
Beschichtungsabschnitte 3 angeordnet sind. Im vorliegenden
Beispiel etwa im Verhältnis
4:9. Durch das entsprechend gewählte
Verhältnis
lässt sich
eine homogene Oberflächentemperatur
des Absorbers 5 einstellen, wie das zugehörige Temperaturdiagramm, das
dem nach 3 entspricht, zeigt. In dem
Temperaturdiagramm ist der Temperaturverlauf als horizontale Linie
ausgebildet, ohne lokale Temperaturmaxima oder -minima, das heißt ohne
Temperaturschwankungen.