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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 Patentanspruches 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.
Derartige Solarkollektoren umfassen daher 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 in Wärmeenergie umwandelt,
umso höher
liegt in der Regel die Temperatur im Stagnationsfall. Die Temperatur
im Stagnationsfall liegt bei gängigen
Flachkollektoren, hohen Außenlufttemperaturen
und maximaler Solarstrahlung üblicherweise
zwischen 180°C
und 230°C,
so dass sich diese schädlich
auf den Solarkollektor auswirkt. 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, welche 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 erhitzt, bis über 200°C. 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 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, um damit 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 Temperatur ist,
welche der Absorber annehmen kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Solarkollektorgrundkörper und
einen verbesserten Solarkollektor zu schaffen, welche einen statischen
Absorberüberhitzungsschutz
aufweisen, der auf eine vorgebbare maximale Absorbertemperatur einstellbar
ist, also mit dem die Stagnationstemperatur auf einen vorgebbaren
Wert begrenzt werden kann. Insbesondere ist es eine Aufgabe, die Stagnationstemperatur
so zu begrenzen, dass Kunststoffe mit niedrigen Schmelzpunkten als
Kollektormaterial verwendbar sind.
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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 Absorberabdeckscheibe begrenzbaren Absorberaufnahme und einem
Absorberüberhitzungsschutz
zur Vermeidung einer Absorberüberhitzung
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberüberhitzungsschutz durch eine
selektiv reflektierende Beschichtung ausgebildet ist, welche eine
in Abhängigkeit
einer Absorbertemperatur veränderbare
Emissivität
des Solarkollektors bewirkt. Die Beschichtung ist insbesondere transparent
und lässt
Solarstrahlung einstrahlen.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschichtung mindestens
ein mikrostrukturiertes Metallgitter aufweist, mit welchem eine
Reflexionseigenschaft der Beschichtung einstellbar ist. Die Beschichtung
kann insbesondere an einer Absorberabdeckscheibe angebracht sein,
die bevorzugt aus einem transparenten Material wie Glas, Floatglas,
Kunststoff oder dergleichen ausgebildet ist.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschichtung
ein Reflexionsvermögen
von Wellenlängen
etwa größer gleich
7 μm aufweist.
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Weiterhin
kann die Beschichtung mehrere Beschichtungsabschnitte aufweisen,
die in einem Muster angeordnet sind, umfassend ein Linienmuster,
ein Schachbrettmuster und dergleichen. Die Beschichtungsabschnitte
können
in einer beliebigen Form ausgebildet sein, umfassend geometrische Formen
wie Quadrate, Dreiecke, Kreise, Ellipsen, Polygone und dergleichen.
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Die
Dicke der Beschichtung kann derart gewählt sein, dass diese mit Standardbeschichtungsverfahren
auf der Absorberabdeckscheibe ausbildbar ist, wobei dafür Standardbeschichtungstechniken
wie Maskenverfahren, Druckverfahren und dergleichen denkbar sind.
Vorzugsweise ist die Beschichtung an der Absorberabdeckplatte angeordnet.
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Der
erfindungsgemäße Solarkollektor,
insbesondere ein vollflächig
durchströmbarer
Solarkollektor, mit einem Solarkollektorgrundkörper, ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Solarkollektorgrundkörper als
erfindungsgemäßer Solarkollektorgrundkörper nach
einem der vorherigen Ansprüche
ausgebildet ist.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Solarkollektorgrundkörper und
dem erfindungsgemäßen Solarkollektor
wird ein sicherer Absorberüberhitzungsschutz realisierbar,
welcher 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. Es gibt keine beweglichen
Teile oder Mechanismen, sodass kein oder nur ein unwesentlicher
Verschleiß auftreten
kann. Somit ist eine hohe Langzeitstabilität des Absorberüberhitzungsschutzes
und somit auch des Absorbers und des Solarkollektorgrundkörpers gewährleistet.
Dadurch, dass 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
lässt sich
die Beschichtung so einstellen, insbesondere durch geeignete Auslegung
der Metallgitter, dass eine maximale Absorbertemperatur gezielt
für möglicherweise
auftretende, ungünstigste
Betriebsbedingungen eingestellt werden kann. Die erfindungsgemäße Beschichtung
bewirkt insbesondere eine geringe Emissivität des Solarkollektors und weist
eine hohe Emissivität mit
daraus folgenden relativ niedrigeren Stagnationstemperaturen während des
Stillstandes auf.
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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 und
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2 schematisch
eine Sprungkantenverschiebung in einem Diagramm, bei dem ein Wärmestrahlungsspektrum über der
Strahlungswellenlänge aufgetragen
ist.
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1 zeigt
ein Diagramm mit zwei Kennlinien von zwei verschiedenen Kollektoren
A und B, 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 zwei unterschiedlichen Linientypen sind die Kennlinien der zwei
unterschiedlichen Kollektoren A und B 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.
Kollektor A, dessen Kennlinie durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist,
ist ein Kollektor, dessen Beschichtung eine Sprungkante für Strahlungswellenlängen größer 2,5 μm aufweist.
Die Kennlinie von Kollektor A ist eine relativ flach abfallende,
leicht konkav verlaufende Kurve von einem Wirkungsgrad knapp unter
0,85 bei etwa 40°C
auf einen Wirkungsgrad von 0,0 bei etwa 250°C. Einen steileren Abfall weist
die Kennlinie von Kollektor B auf. Kollektor B ist ein erfindungsgemäßer Kollektor,
der eine beschichtete Absorberabdeckscheibe aufweist. Die Beschichtung
ist als infrarotreflektierende Schicht ausgebildet. Als gestichelte
Linie verläuft
die Kennlinie von einem Wirkungsgrad knapp unter 0,85 bei etwa 40°C auf einen
Wirkungsgrad 0,0 bei etwa 160°C,
der Stagnationstemperatur. Das Prinzip der Sprungkantenverschiebung
ist in 2 näher
dargestellt.
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2 zeigt
in einem Diagramm ein über
die Strahlungswellenlänge
aufgetragenes Wärmestrahlungsspektrum.
Dargestellt ist ein Sonnenspektrum S mit einem bis 2,5 μm etwa sinusförmigen Verlauf.
Die Wärmestrahlung,
gekennzeichnet durch Bezugszeichen W beträgt etwa 373 K. Weiter dargestellt
ist eine erste Sprungkante 1, die als stufenförmige durchgezogene
Linie abgebildet ist, mit einem Sprung bei etwa 2,5 μm. Zudem
ist eine zweite Sprungkante 2 dargestellt, die ebenfalls
als stufenförmige
Linie, jedoch als gestrichelte Linie abgebildet ist. Der Sprung der
zweiten Sprungkante 2 liegt bei etwa 7 μm. Die Sprungkanten 1, 2 lassen
sich über
metallische Gitter einstellen.
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Systemsimulationen
solarthermischer Anlagen zeigen, dass Absorbertemperaturen von maximal
100–120°C während des
Betriebes der solarthermischen Anlagen wie Solarkollektoren erreicht
werden. Um nun die Emissivität,
das heißt
die Wärmeverluste,
des Kollektors bis zu diesen Temperaturen möglichst gering zu halten ist
bis zu Temperaturen von etwa größer 100°C ein niedriger
Wärmeverlust wünschenswert.
Bei Temperaturen größer etwa 100°C sollen
jedoch die Wärmeverluste
ansteigen, sodass die nicht benötigte
Wärme während des
Stillstandes der Anlage bei gleichzeitiger Sonneneinstrahlung an
die Umgebung abgegeben wird. Dadurch können hohe Stagnationstemperaturen
des Absorbers vermieden werden. Um dies zu erreichen, ist eine infrarotreflektierende
Schicht vorgesehen, welche ein Reflexionsvermögen größer etwa 7 μm Wellenlänge aufweist (Kollektor B oder 2).
Bei Temperaturen kleiner etwa 100°C
wird die vom Absorber abgestrahlte Wärmestrahlung durch die zum Beispiel
auf der Glasabdeckung aufgebrachte Beschichtung größtenteils
zurückreflektiert
und verbleibt innerhalb des Kollektors. Mit steigenden Temperaturen
größer etwa
100°C verschiebt
sich das Spektrum der Wärmestrahlung
zu kleineren Wellenlängen
hin, sodass diese nicht mehr komplett von der Beschichtung reflektiert
werden können,
sondern diese zum größten Teil
durch die Absorberabdeckplatte durchgelassen werden. Dieser Effekt
verstärkt sich,
je höher
die Temperatur des Absorbers ist.
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Durch
das Verschieben der Sprungkante von 2,5 μm (Kollektor A) hin zu größeren Wellenlängen (Kollektor
B, 2) erhöht
sich auch der Wärmeverlust
während
des Betriebes. Jedoch sind diese Verluste derart gering, dass sie
sich kaum auf den solaren Jahresertrag auswirken. Somit lässt sich
die Stagnationstemperatur senken, ohne den solaren Jahresertrag
signifikant zu senken. Mit Hilfe von mikrostrukturierten, elektrisch
leitenden Gittern lässt
sich die erforderliche Sprungkante genügend genau einstellen. Abhängig von
der Breite und des Abstands des Gitters kann die Sprungkante und
auch die entsprechende Steigung variiert werden. Derartige mikrostrukturierte
Metallgitter sind teilweise aus anderen technischen Bereichen bekannt.
Bei der Anwendung auf Solarkollektoren sind spezielle betriebsbedingte
Einstellungen der Gitter erforderlich, welche insbesondere speziell
abgestimmte Gitterabstände erfordern,
die auf den entsprechenden Auslegungsfall angepasst sind. Beispiele
hierfür
sind die Sprungkanten bei 2,5 μm
und 7 μm,
wobei auch andere Sprungkanten einstellbar sind. Der Vorteil der
speziellen Auslegung der Metallgitter liegt darin, dass die Reflexionseigenschaft
genau über
die Breite und den Abstand der Metallstege der Metallgitter definierbar ist.
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Durch
entsprechende Wahl der Sprungwellenlänge lassen sich erfindungsgemäß die Wärmeverluste
durch Strahlung mit zunehmenden Temperaturen erhöhen. Der Grundgedanke liegt
darin, dass das Spektrum der Wärmestrahlung
mit zunehmender Strahlungs temperatur von hohen Wellenlängen hin zu
Niedrigen wandert und absolut zunimmt. In einem für den Betrieb
von Solarkollektoren relevanten Temperaturbereich unter etwa 100°C liegt das
abstrahlende Spektrum bei einer Wahl der Sprungkante von 7·10E–6 m Wellenlänge noch
zum größten Teil
im Bereich mit geringen Strahlungsverlusten. Erwärmt sich der Absorber bei Stagnation
weiter, schiebt sich das Spektrum nach links in einen Bereich, in
dem Wärmeverluste
durch Strahlung ermöglicht
werden. Da der Strahlungsanteil nach dem Gesetz von Stefan-Boltzmann
bei zunehmender Temperatur auch mit der 4.
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Potenz
absolut größer wird,
werden die Strahlungsverluste deutlich überproportional erhöht. Dies
führt zu
einer deutlichen Reduktion der maximal möglichen Stagnationstemperatur
bei sehr kleinen Mehrverlusten während
des Betriebes, wie dies auch in 1 anhand der
Kennlinie (Kollektor B) ersichtlich ist.