DE102009010629A1

DE102009010629A1 - Absorberstruktur in thermischen Solaranlagen

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Publication number: DE102009010629A1
Application number: DE102009010629A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2010-08-26

Abstract

Die Erfindung betrifft die Modifizierung von Absorbern innerhalb von Flachkollektoren, Vakuumröhren bzw. Vakuumröhrenkollektoren, wobei mehrere geneigte Absorberflächen im Innenraum der Kollektorgehäuse vorhanden sind. Das Ziel der Erfindung ist eine Erhöhung der Solarerträge und eine Verringerung der solaren Nutzwärmekosten durch Erhöhung der Strahlungsausbeute.

Description

Die Erfindung betrifft Modifizierungen an thermischen Solarkollektoren, welche durch bestimmte Formgebung des Absorbers eine Erhöhung des Solarertrags zur Folge hat.
Stand der Technik
Flach- und Vakuumröhrenkollektoren ohne konzentrierende Bauteile sind prinzipiell, wie in 1 und 2 dargestellt, aufgebaut. Dabei besitzen die Flachkollektoren eine transparente Abdeckung aus einem geeigneten Material (1, Nr. 1) mit Abdichtungen (1, Nr. 7) und ein stabilisierendes Gehäuse (1, Nr. 6) mit entsprechender Isolation (1, Nr. 5). Innerhalb des Gehäuses befinden sich die Absorberflächen (1, Nr. 3) gegebenenfalls mit Kanälen (1, Nr. 2) in vielfältiger Formgebung zum Abführen der Wärme per Wärmeträgerflüssigkeit. Der Innenraum (1, Nr. 4) kann evakuiert, mit verschiedenen Inertgasen oder auch mit Luft gefüllt sein. Im letzteren Fall besteht die Möglichkeit den Innenraum als Kanal zur Wärmeabführung zu benutzen, in dem er als Luftkollektor durchströmt wird. Bei Vakuumröhrenkollektoren fallen die Funktionen der transparenten Abdeckung und des Gehäuses zusammen (2, Nr. 1). Eine Isolationswirkung wird durch den evakuierten Zwischenraum (2, Nr. 4) erreicht. Die im Vakuum liegenden Absorberflächen (2, Nr. 3), besitzen ähnlichen wie bei Flachkollektoren Kanalführungen (2, Nr. 2) zur Wärmeabfuhr.
Problemstellung
Bei Kollektorfeldern solarthermischer Anlagen werden die Absorberflächen in der Regel geneigt, um eine höhere Nutzung der Solareinstrahlung zu erzielen. Dabei können in Abhängigkeit des Sonneneinstrahlungswinkels, der Feldausrichtung, des Absorberneigungswinkels und des Absorberabstandes zeitweise Verschattungen, wie z. B. in 3, auftreten. Zusätzlich können sich die diffusen Einstrahlungsverhältnisse beim Drehen der Absorber verschlechtern.
Die Verschattungen können unter anderem dadurch verhindert werden, indem die Absorberbleche nicht geneigt werden (4). Hierbei können die Absorberflächen zwar dicht aneinandergereiht werden, der Vorteil einer höheren Nutzung der Solareinstrahlung bezüglich der Einstrahlwinkel wird nur für einzelne Fälle einer bestimmten Feldneigung wirksam. So sind bei einer Flachdach- oder auch Fassadenmontage die Einstrahlungsverhältnisse bei ungeneigten Absorbern schlechter gegenüber den geneigten.
Eine weitere Möglichkeit solche Verschattungen zu verhindern, besteht beispielsweise in der Wahl größerer Abstände zwischen den einzelnen Absorbern (5). Da bei dieser Vorgehensweise der einzelne Absorber bzw. Kollektor optimal genutzt werden kann, ist diese Methode am häufigsten in der Praxis zu finden. Flachdächer und Fassaden werden z. B. nur teilweise mit Absorberflächen versehen. Damit sinkt der Flächennutzungsgrad zwischen Absorberfläche und Feldfläche, während sich der Verrohrungsaufwand pro Absorberfläche erhöht. Ferner wird besonders bei Kollektorfeldern an Fassaden durch vergrößerte Abstände das optische Erscheinungsbild verändert.
Bei der geneigten Aufstellung von Flachkollektoren und senkrecht stehenden Vakuumröhrenmodulen werden Aufständerungen benötigt, welche einen zusätzlichen Kostenfaktor darstellen.
Werden Flachkollektoren bzw. Vakuumröhrenkollektormodule ohne Aufständerungen anliegend auf Dächer oder an Fassaden angebracht, verlagert sich die Verschattungsproblematik von den Kollektormodulflächen auf die Absorberflächen innerhalb der Gehäuse.
Speziell Kollektormodule mit Vakuumröhren werden oft ohne Aufständerungen flach auf Dächer oder an Fassaden angebracht. Bei diesen Kollektortypen besteht in der Regel ein unveränderlicher Röhren- und somit auch Absorberabstand. Weiterhin entsteht beim Drehen der Flachabsorber ungenutzter Raum innerhalb der Röhren, welcher für zusätzliche Absorberflächen zur Verfügung steht.
Beschreibung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist, Absorber so zu formen und zu neigen, dass die Zeiträume einer Verschattung verringert werden. Gleichzeitig können zusätzliche Absorberflächen so hinzugefügt werden, dass eine bessere Nutzung der diffusen Einstrahlung sowie von Reflexionen möglich wird. Wobei die modifizierten Absorber sowohl in Flachkollektorgehäusen, wie beispielsweise in 6 dargestellt, als auch in Röhrenkollektoren, wie in 7 dargestellt, platziert werden können. Das Einbringen zusätzlicher Absorberflächen in schon vorhandene Gehäuse birgt somit Einsparpotentiale, welche sich positiv auf die solaren Nutzwärmekosten auswirken.
Es werden dabei Absorberstrukturen geschaffen, wie sie prinzipiell in 8 bis 15 als Querschnitt abgebildet sind. Das Prinzip in 8 stellt die einfachste Form solch einer Struktur dar. In dieser Abbildung sind zwei zu einander angewinkelte Absorberflächen zu erkennen.
Diese beiden Flächen (weiter als Schenkel bezeichnet) sind aus der Kollektormodulebene jeweils um die Winkel α bzw. γ angestellt. Dabei wird zwischen den beiden ein Öffnungswinkel β gebildet.
Die Absorberstruktur erhebt sich aus der Modulebene um die Höhe h. Diese Höhe h kann auch als Struktur- bzw. Profilhöhe bezeichnet werden. Die jeweiligen auf die Kollektormodulebene projizierten Breiten der Absorberflächen sind mit a und b bezeichnet. Für eine größtmögliche Ausnutzung des Gehäuseinnenraumes sollten sich die beiden Schenkel in einem Punkt treffen, so dass mit den Seitenlängen (a + b) und h ein gedachtes Rechteck gebildet wird. Diese Struktur wiederholt sich fortlaufend.
Der erste Sonderfall entsteht dadurch, dass aufgrund wirtschaftlicher Aspekte eine Situation eintreten kann, bei der sich die Vergrößerung von Absorberflächen nur bis zu einem bestimmten Maß lohnt. Wie in 9 dargestellt, können daher die Schenkel und somit die projizierten Breiten bei gleichbleibenden Winkeln eingespart werden und sich, wie in 10 gezeigt, verkürzen.
Weitere Sonderfälle entstehen durch das Hinzufügen weiterer Absorberflächen. Dabei bleiben die Maße a, b und h sowie die Winkel α, γ und β bestehen. Mit jedem neuen Schenkel entsteht ein neuer Öffnungswinkel, welcher beispielsweise in der 11 durch das Hinzufügen eines Schenkels als Winkel β* und durch einen weiteren Schenkel in 12 als Winkel β** bezeichnet wurde. Die Anzahl weiterer Absorberflächen mit weiteren Öffnungswinkeln lässt sich theoretisch soweit erhöhen, dass Krümmungen, wie z. B. in 20 veranschaulicht, gebildet werden. Dadurch sind eine Vielzahl von Variationen, wie z. B. in 11 bis 15 dargestellt, möglich. Die optimale Absorberstruktur hängt von mehreren Faktoren, wie z. B. die Feldneigung, der Breitengrad des Einsatzortes, der Nutzungszeitraum, der transparenten Abdeckung usw. ab (36).
Bei transversaler Lage (quer zum Durchmesser) dieser Absorberstrukturen in Vakuumröhren können sich die Verhältnisse zwischen den Summen der Projektionen (a + b) und den Röhrendurchmessern in verschiedener Weise zu einander verhalten. So wird beim Verhältnis 1:1 die Summe (a + b) den Röhrendurchmesser mit der Absorberstruktur ausfüllen, wie es beispielsweise in 15 16 bis 25 dargestellt ist.
Bei anderen Verhältnissen wird ein Vielfaches der Summe (a + b) innerhalb eines Röhrendurchmessers untergebracht, wie z. B. in 35 gezeigt, oder die Summe (a + b) wird auf ein Vielfaches des Röhrendurchmessers verteilt, wie z. B. in 30 und 32.
Die Aufteilung der Summe der Projektionen (a + b) auf eines oder mehrere Gehäuse gilt ebenfalls für Flachkollektoren (6 und 33).
Die zueinander geneigten Absorberflächen können miteinander verbunden sein oder auch nicht (21 und 34 bis 36). Bei verbundenen Flächen können die Kanten eckig (Biegeradius = 0), abgerundet (Biegeradius > 0) oder auch abgestumpft (25 und 26 bis 29) sein. Da bei abgestumpfter Verbindung eine zusätzliche Fläche vorhanden ist, gilt hier bei einer bestimmten Ausdehnung die Regel, dass Flächen mit dazugehörigen Winkeln beigefügt worden sind (26 bis 29).
In der Gebrauchsmusterschrift DE 201 12 259 U1 werden Patentansprüche für eine ganzflächige Profilierung zur Versteifung eines Absorberbleches erhoben. Die Profilhöhe liegt dabei in einem Bereich von 0,25 mm bis 2,5 mm. Die genannte Erfindung stellt sich die Aufgabe ein Absorberblech zu schaffen, welches trotz der geringen Wandstärke des Absorbers von etwa 0,2 mm auch bei größerer Wärmeentwicklung am Absorberblech zuverlässig die Wellenbildung und Verformung eben dieses verhindert und damit langfristig die Stabilität des Absorbers erhöht.
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von der genannten Gebrauchsmusterschrift dahin gehend, dass keine Profilierung des Absorberbleches zu Stabilitätszwecken stattfindet. Die vorliegende Erfindung stellt sich das Ziel einer Ertragserhöhung durch das Anwinkeln von Absorberflächen zueinander. Eine Verbindung der einzelnen zueinander geneigten Absorberflächen ist nicht zwingend erforderlich (21). Weiterhin muss der Höhenabstand h zwischen zwei Kanten deutlich mehr als 2,5 mm betragen, damit ein ertragserhöhender Effekt wirtschaftlich wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 20112259 U1 [0019]

Claims

Der Anspruch besteht darin, dass, wie aus 6 und 7 ersichtlich, der Innenraum (6 und 7, jeweils Nr. 4) eines Kollektors bestehend aus einem Gehäuse (6, Nr. 6) mit Abdichtungen (6, Nr. 7), zumindest aber einer transparenten Abdeckung (6 und 7, jeweils Nr. 1), mit Absorbern (6 und 7, jeweils Nr. 3) ausgestattet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere geneigte Flächen (6 und 7, jeweils Nr. 3 und Nr. 4) vorhanden sind.
Kollektoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (6 und 7, jeweils Nr. 4) evakuiert oder mit einem transparenten Medium gefüllt ist.
Absorber nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorber aus verschiedenen geeigneten Absorbermaterialen bestehen.
Absorber nach Anspruch 1 bis Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberflächen (6 und 7, jeweils Nr. 3 und Nr. 4) mit verschiedenen Neigungswinkeln geneigt sind. (6 bis 25)
Absorber nach Anspruch 1 bis Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorber mit den Anstellwinkeln α und γ zweier Absorberebenen und mindestens einem Öffnungswinkel β zwischen den Absorberebenen, wie in 8 bis 10, eine sich wiederholende Struktur bilden, wobei 15° < α < 180°, 15° < γ < 180° und 1° < β < 150° ist.
Absorber nach Anspruch 1 bis Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Absorberebenen in der Anzahl n mit den zugehörigen Öffnungswinkeln β*, β** bis βⁿ zwischen den Absorberebenen, wie in 11 bis 15, eine sich wiederholende Struktur bilden, wobei alle zusätzlichen Winkel 1° < βⁿ < 180° sind.
Absorber nach Anspruch 1 und Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Absorberebenen eine sich wiederholende Struktur mit der Höhe h bilden, wobei h > 2,5 mm ist (8 bis 20, 22 bis 30, 32 und 33).
Absorber nach Anspruch 1 bis Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberflächen gleiche Absorberbreiten besitzen. (36 Skizzen Nr. A3, Nr. A4, Nr. B3, Nr. B4, Nr. C3, Nr. C4 und Nr. G1 bis Nr. G4)
Absorber nach Anspruch 1 bis Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberflächen verschiedene Absorberbreiten besitzen, so dass unsymmetrische Querschnittsformen der Absorber entstehen. (8 bis 15, 20 bis 25 und in 36 Skizzen Nr. A1, Nr. A2, Nr. B1, Nr. B2, Nr. C1, Nr. C2, Nr. E1 bis Nr. E4 und Nr. F1 bis Nr. F4)
Absorber nach Anspruch 1 bis Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberflächen nicht mit einander verbunden sind. (21 und in 36 Skizzen Nr. B3, Nr. B4, Nr. C1 bis Nr. C4, Nr. D1, Nr. D2, Nr. E1 bis Nr. E4 und Nr. F1 bis Nr. F4, Nr. G2 und Nr. G4)
Absorber nach Anspruch 1 bis Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberflächen miteinander verbunden sind. (36 Skizzen Nr. A1 bis Nr. A4, Nr. B1, Nr. B2, Nr. D3, Nr. D4, Nr. G1 und Nr. G3)
Absorber nach Anspruch 1 bis Anspruch 9 und Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander verbundenen Absorberflächen abgewinkelt sind. (36 Skizzen Nr. A1, Nr. A3, Nr. A4, Nr. B1, Nr. B3, Nr. B4, Nr. C1 und Nr. D1)
Absorber nach Anspruch 1 bis Anspruch 9 und Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander verbundenen unter einem bestimmten Biegeradius gege neinander geneigt sind. (36 Skizzen Nr. A2, Nr. B2, Nr. C2, Nr. D2 bis Nr. D4, Nr. E3 und Nr. E4)
Absorber nach Anspruch 1 bis Anspruch 9 und Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberflächen in sich gebogen und geneigt sind. (36 Skizzen Nr. E2 und Nr. F2 bis Nr. F4)
Absorber nach Anspruch 1 bis Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberflächen verschiedenenartige Kanalführungen besitzen. (35, in 36 Skizzen Nr. A1 bis Nr. G1 und in 34 Skizzen Nr. A1 bis Nr. D2)
Absorber nach Anspruch 1 bis Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberstruktur innerhalb eines Gehäuses untergebracht ist. (6, 7, 16 bis 25, 31 und 35)
Absorber nach Anspruch 1 bis Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberflächen auf verschieden Gehäuse aufgeteilt werden. (30, 32 und 33)