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Die Erfindung betrifft einen richtungsunabhängigen Solarkollektor mit hohem Wirkungsgrad, dessen Anwendung sich besonders als thermischer Kollektor, z. B. zur Trocknung von Gebäuden oder als Heizungsunterstützung, oder als Solarkonzentrator anbietet.
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Solarkollektoren sind Vorrichtungen, welche mittels eines Absorbers die im Sonnenlicht enthaltene Energie auffangen, in Wärme umwandeln und an ein Übertragungsmedium abgeben. Die gewonnene Wärmeenergie wird üblicherweise zur Erzeugung von Warmwasser oder zur Raumheizung verwendet. Vereinzelt wird die Wärmeenergie auch zur Erzeugung von elektrischer Energie, z. B. mittels Generatoren, die durch Wärmekraftmaschinen angetrieben werden, eingesetzt.
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Solarkollektoren nutzen nahezu das gesamte Strahlungsspektrum des Sonnenlichts; infolgedessen können mit ihnen relativ hohe Wirkungsgrade erreicht werden. Der Wirkungsgrad eines Solarkollektors bestimmt sich vordergründig durch dessen Absorber, aber auch durch die Wärmedämmwirkung seines Gehäuses.
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Absorber von Solarkollektoren müssen das kurzwelligere Sonnenlicht gut aufnehmen und dürfen gleichzeitig langwelligere Wärmestrahlung nur schwach emittieren. Außerdem müssen sie einen möglichst vollständigen Wärmetausch mit dem Wärmeträgermedium ermöglichen.
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Die mit einer transparenten Scheibe für den Lichteinfall versehenen Gehäuse von Solarkollektoren müssen gut wärmegedämmt sein, um zu verhindern, dass die gewonnene Wärmeenergie wieder verloren geht.
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Die Wärmedämmung der Gehäuse ist technisch bereits sehr weit entwickelt. Die Gehäuse von sogenannten Vakuumröhrenkollektoren sind mittels Vakuumisolierungen wärmegedämmt. Ihre Scheiben bestehen aus beschichtetem Glas, das eine hohe Transparenz für das kurzwelligere Sonnenlicht und eine hohe Reflektivität für langwelligere Wärmestrahlung hat.
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Als Absorber werden bislang mit speziellen Beschichtungen versehene Aluminium- oder Kupferbleche eingesetzt. Mit solchen Blechen kann jedoch weder eine maximale Absorption des Sonnenlichts noch eine minimale Emission von Wärmestrahlung erreicht werden. Darüber hinaus ist so auch kein optimaler Wärmetausch mit dem Wärmeträgermedium möglich.
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Aufgrund dessen, dass die Gehäuse von Sonnenkollektoren bereits sehr effektiv sind, zielen Weiterentwicklungen von Solarkollektoren auf verbesserte Absorber.
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So wird in
AT 411 104 B ein Absorber für einen Solarluftkollektor vorgestellt, der aus längsseitig nebeneinander gereihten Blechprofilen besteht, die derart abgekantet sind, dass einerseits durch die Blechprofile Luftkanäle gebildet werden und anderseits deren Oberfläche vergrößert wird. Hierdurch soll die Wärmeübertragung des Absorbers auf das Wärmeträgermedium Luft verbessert werden. Eine Verbesserung des Absorptions- (Sonnenlicht) und Emissionsverhaltens (Wärmestrahlung) des Absorbers wird jedoch nicht erreicht.
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In
DE 44 31 124 A1 wird ein thermischer Solarkollektor beschrieben, der aus transparenten, vollständig mit einem porösen Absorber gefüllten Glasrohren besteht, die von einem Wärmeträgermedium durchströmt werden. Die Glasrohre sind mit einem Reflektor umgeben.
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Durch die Verwendung eines volumetrischen Absorbers anstatt der üblichen Bleche ist an sich eine Verbesserung des Wirkungsgrades von Solarkollektoren erreichbar. Allerdings bilden poröse Absorber üblicherweise einen sehr hohen Strömungswiderstand, was hier angenommen werden muss, da der poröse Körper nicht näher spezifiziert wurde. Daraus folgt, dass nur wenig Wärmeenergie pro Zeit transportiert wird, woraus letztlich ein schlechter Wärmetausch resultiert.
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Die
DE 38 15 751 C2 beschreibt einen Sonnenkollektor mit einem Absorber in Form einer ziehharmonikaartig gefalteten Metallfolie, wobei in die Falten der Metallfolie dünne Metallnetze eingefügt sind.
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Die
WO 2009/061 492 A1 beschreibt eine Wärmetransportvorrichtung aus einem Kohlefaser-Verbundwerkstoff, der ein Füllmaterial hoher thermischer Leitfähigkeit und ein Schaummaterial aufweisen kann.
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Die
EP 0 033 174 A1 beschreibt einen Kollektor zum Umwandeln von Strahlungsenergie in Wärme, der in thermischem Kontakt mit einer flüssigkeitsabsorbierenden Schicht steht, wobei die flüssigkeitsabsorbierende Schicht Hohlräume zum Aufnehmen einer Flüssigkeit aufweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Solarkollektor zu schaffen, der einen Absorber besitzt, der ein hohes Absorptionsvermögen für Sonnenlicht und eine geringe Emission von Wärmestrahlung zeigt. Außerdem soll der Absorber einen guten Wärmetausch zu Wärmeträgermedien ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 19.
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Ausgegangen wird von einem Solarkollektor, dessen Absorber von einem Gehäuse umgeben ist. Nach Maßgabe der Erfindung besteht der Absorber aus einer metallischen, vernetzten 3D-Struktur. Es ist vorgesehen, dass der Absorber bevorzugt aus offenporigem Metallschaum aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht. Besonders geeignet sind Kupfer und Kupferlegierungen, die sich durch eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit auszeichnen.
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Eine wesentlich kostengünstigere Alternative stellt geschlossenporiger Metallschaum dar, der allerdings im Vergleich zu offenporigem Metallschaum einen, wenngleich nur geringfügig, niedrigeren Wirkungsgrad hat. Sowohl der offenporige als auch der geschlossenporige Metallschaum bestehen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Der Wirkungsgrad eines Absorbers aus geschlossenporigem Metallschaum lässt sich steigern, indem man auf die Oberfläche des geschlossenporigen Metallschaums eine Schicht aus offenporigem Metallschaum aufbringt; der Absorber besteht also sowohl aus offenporigem als auch aus geschlossenporigem Metallschaum, wobei durch den offenporigen Metallschaum die Reflexion des Sonnenlichts weitestgehend verhindert wird.
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Eine kostengünstige, allerdings insbesondere bezüglich des Wärmaustauschs verschlechterte Alternative zum Metallschaum stellt offenporiger Kunststoffschaum (z. B. Polyurethan-Schaum) dar, der mit Metall beschichtet ist. In gleicher Weise kann der Grundkörper aus Keramikschaum bestehen.
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Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass sowohl die offenporigen Metallstrukturen als auch die geschlossenporigen Metallstrukturen mit dotiertem Silizium beschichtet sind.
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Zumindest für die Teile der Oberfläche des Absorbers, die der Sonne zugewandt sind, sind Beschichtungen vorgesehen, die die eingestrahlte kurzwellige Sonnenenergie gut aufnehmen (hoher Absorptionsgrad im Bereich der Solarstrahlung), jedoch die im Absorber erzeugte längerwelligere Wärmestrahlung nur in geringem Maße abgeben (geringer Emissionsgrad im Bereich der Wärmestrahlung). Als Beschichtungen werden deshalb Schwarznickel oder kommerziell erhältliche Beschichtungen eingesetzt, die u. a. unter den Handelsnamen TiNOX, eta plus und sun select bekannt sind.
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Die Schaumstruktur des Absorbers zeichnet sich durch ein sehr gutes Verhältnis von Absorption zu Reflexion aus. Die Absorption kann, abhängig von der Porengröße, beim offenporigen Metallschaum bis in eine Tiefe von 30 mm erfolgen; Reflexion findet hingegen nur in geringem Maße statt, da keine regelmäßige Reflexionsfläche vorhanden ist. Der geringe Anteil reflektierter Strahlung wird außerdem, bevor er den Metallschaum verlassen kann, größtenteils wieder in die Schaumstruktur zurückgestreut, d. h. der Schaum wirkt als sogenannte Lichtfalle.
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Um hohe Wirkungsgrade zu erreichen, muss in der Absorbereinheit auch ein guter Wärmetausch zwischen dem Absorber und dem eingesetzten gasförmigen (Luft) oder flüssigen (Wasser, Öl) Wärmeträgermedium, das sich entweder aufgrund von Konvektion durch die Absorbereinheit bewegt oder aktiv gepumpt wird, erfolgen. Dies wird durch Verwendung einer offenporigen Struktur, die einerseits von Wärmetransportmedien gut durchströmt werden kann (geringer Strömungswiderstand) und andererseits eine große Oberfläche besitzt, am besten gewährleistet.
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Bei Verwendung von geschlossenporigem Metallschaum ist vorgesehen, den Absorber mit Rohren zu versehen oder in die Schaumstruktur Kanäle einzuprägen, durch die das Wärmeträgermedium gepumpt wird. Die hohe Dichte des geschlossenporigen Metallschaums erlaubt einen höheren Wärmestrom von der Absorptionsfläche zu dem Wärmeübertrager. Das Einprägen der Kanalstruktur erlaubt, die Tiefe und Breite der Kanäle nach Belieben zu variieren und so einen optimalen Abtransport der Wärme aus der Struktur zu gewährleisten. Mit entsprechend geprägten Blechen, die in die Kanalstruktur eingebracht werden, wird der Metallschaum gegenüber dem Wärmeträgermedium (z. B. Thermoöl) abgedichtet. Die eingebrachten Bleche schützen zudem den Metallschaum gegenüber aggressiven Wärmeträgermedien (z. B. chlorhaltiges Wasser in Schwimmbädern) vor Korrosion.
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Der Absorber ist erfindungsgemäß in einem Gehäuse eingebracht und von einer Scheibe aus durchsichtigem Material, vorzugsweise Glas, ausgeführt als Fensterglas oder Glas mit einer Linse (Fresnel-Linse), abgedeckt, wobei der Absorber und die Scheibe durch einen Luftspalt getrennt sind. Das Gehäuse, je nach Verwendung kasten- oder rohrförmig ausgeführt, ist thermisch isoliert, z. B. mittels geschäumtem Glas oder Vakuum.
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Erfindungsgemäß wird der über entsprechende Zu- und Ableitungen verfügende Metallschaum durch ein Fluid, vorzugsweise Luft, aber auch Wasser, ein organisches Fluid (ORC) oder Thermoöl durchströmt. Es ist vorgesehen, dass das ummantelte Komposit Metallschaum/Glas/Isolierung vakuumdicht verschlossen ist, wobei die Wärme über feste Körper, beispielsweise Rohre, weitergeleitet wird.
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Bei einer kastenförmigen Ausführung des thermischen Absorbers können Temperaturen im Bereich von 60 bis 100°C erreicht werden, in speziell gestalteten rohrförmigen Absorbern, die in Solarkonzentratoren eingesetzt sind, wird ein Temperaturniveau von 150 bis 300°C erreicht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von acht Ausführungsbeispielen näher erläutert; hierzu zeigen:
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1: einen kastenförmigen Solarkollektor im seitlichen Schnitt;
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2: einen Solarkollektor mit Fresnel-Linse in Schrägdraufsicht;
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3: einen rohrförmigen Solarkollektor im Längsschnitt;
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4: einen rohrförmigen Solarkollektor im Querschnitt;
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5: einen Solarkollektor mit mehreren rohrförmigen, parallel angeordneten Elementen;
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6: einen Absorber, bestehend aus einer Kombination von offenporigem und geschlossenporigem Metallschaum;
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7: einen Absorber mit eingeprägten Kanälen;
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8: eine dreidimensionale, tetraederförmige Anordnung von Absorbern.
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Der in 1 dargestellte Solarkollektor besteht aus der Ummantelung 1, der Isolationsschicht 2 und dem offenporigen Metallschaum 3, der durch einen Spalt 4 von der Glasscheibe 5 getrennt ist. Die Wärmeleitung erfolgt über die Rohre 6.
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Die Verwendung eines solchen Solarkollektors bietet sich beispielsweise als Verkleidungselement an Gebäudewänden an, wobei er hier auch speziell zur dauerhaften Trockenlegung genutzt werden kann.
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2 zeigt (im Schnitt) einen Solarkollektor, bei dem die Scheibe 5 als Glasplatte mit Fresnel-Linse ausgeführt ist. Der Metallschaum 3 ist kanalartig 7 ausgespart. Zudem weist er den Latentspeicher 8 auf.
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Dieser Solarkollektor eignet sich besonders für die Unterstützung von Heizungsanlagen (z. B. in Eigenheimen), da durch den Latentspeicher 8 eine längerfristige und weitgehend konstante Wärmeabgabe erreicht wird.
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Bei dem in 3 und 4 dargestellten rohrförmigen Solarkollektor befindet sich der Absorber 3, dessen Metallschaum aus einer CuAl-Legierung besteht, in einem innenverspiegelten Rohrsegment 11. Das Rohrsegment 11 ist mit einer Lage wärmeisolierenden Materials 2 isoliert; vorteilhaft könnte es auch mit einem evakuierten doppelwandigen Rohr umgeben sein. Das Rohrsegment 11 und die thermische Isolierung 2 sind zum mechanischen Schutz mit der Ummantelung 1 gekapselt. An dem durch das Rohrsegment 11, die Isolierung 1 und die Ummantelung 2 gebildeten Gehäuse 10 sind Verbindungsstutzen für die Zu- und Ableitung des Wärmeträgermediums angebracht.
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Der Absorber 3 hat die Form eines längs angeschnittenen Zylinders, wobei die ebene Schnittfläche die Absorberfläche 9 bildet. Diejenigen Teile der Oberfläche des Absorbers 3, die beim Betrieb der Sonne zugewandt sind, sind mit einer unter dem Handelsnamen „TiNOX” bekannten Beschichtung versehen, die bewirkt, dass der Absorber 3 einen hohen Absorptionsgrad in Bereich der Solarstrahlung und einen geringen Emissionsgrad im Bereich der Wärmestrahlung hat.
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Der Absorber 3 ist mit den drei scheibenförmigen Befestigungselementen 12 zentriert, die aus metallischem Vollmaterial bestehen und so auch als Wärmespeicher wirken. Außerdem tragen die scheibenförmigen Befestigungselemente 12 zu einer verbesserten Anströmung des Metallschaums bei, indem sie der Strömung des Mediums durch den Metallschaumzylinder eine Vorzugsrichtung geben und eine freie, turbulente Strömung entlang der Zylinderoberfläche ermöglichen.
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Die Absorberfläche 9 befindet sich direkt vor der Glasscheibe 5, die mit In2O3 beschichtet ist, wodurch erreicht wird, dass die Glasscheibe 5 das einfallende Sonnenlicht durchlässt, die im Solarkollektor auftretende Wärmestrahlung jedoch weitgehend zurückhält.
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In 5 ist ein Solarkollektor dargestellt, der aus mehreren rohrförmigen, parallel und sich berührend angeordneten Elementen aufgebaut ist, die völlig mit Glas ummantelt sind. Solche oder ähnlich aufgebaute Kollektoren eröffnen vielfältige Gestaltungs- und Verwendungsmöglichkeiten.
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Ein Absorber 3, der eine Kombination aus geschlossenporigem Metallschaum 13 und offenporigen Metallschaum 14 ist, ist in 6 dargestellt. Der offenporige Metallschaum 14 befindet sich dabei auf der der Sonne zugewandten Seite des Absorbers 3. Dadurch wird erreicht, dass die Sonnenstrahlung zunächst tief in den Absorber eindringt und in ihm schließlich annähernd vollständig absorbiert wird. Im Gegensatz zu einem Absorber 3, der gänzlich aus geschlossenporigem Metallschaum 13 besteht, lässt sich somit der Anteil des reflektierten Sonnenlichts senken.
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Ein Absorber 3, bei dem in den geschlossenporigen Metallschaum Kanäle 7 eingeprägt wurden, wird in 7 gezeigt. Der Metallschaum wiederum ist in Kontakt mit einer thermischen Isolierung 2 gebracht. Diese verfügt ebenfalls über eingeprägte Kanäle 7. Durch das Zusammenfügen von Metallschaum und thermischer Isolation 2 erhält man eine definierte Kanalstruktur, durch die ein Fluid strömen kann. Der Wärmetransport innerhalb des Absorbers kann durch eine freie Gestaltung der Kanäle 7 optimiert werden.
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In 8 ist schließlich eine dreidimensionale Anordnung von Absorbern 3 gezeigt, die tetraederförmig ist. Mit einer solchen Anordnung der Absorber wird erreicht, dass das in den Solarkollektor einfallende Licht unabhängig von der Einfallrichtung mit einem besonders hohen Wirkungsgrad genutzt wird. Getragen wird die tetraederförmige Anordnung der Absorber 3 von einer dreibeinigen Konstruktion, die so bemessen ist, dass erwachsene Personen unter der Absorberanordnung hindurchgehen können.
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Als weitere (nicht dargestellte) Ausführungsvariante ist vorgesehen, einen planaren Solarkollektor auf einer tetraederförmigen Tragkonstruktion zu montieren, die in einem ihrer Eckpunkte ihrer Grundfläche drehbar gelagert ist. Dadurch kann der Solarkollektor besonders einfach dem Verlauf der Sonne über den Tag hinweg nachgeführt werden. Wird die Tragkonstruktion auf einer Wasserfläche schwimmbar gelagert, so lässt sich der Solarkollektor sogar reibungsfrei nachführen.
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Vorteilhaft ist es, als Fluid und als Latentspeicher Zeolithe oder Silikagel zu verwenden. Diese Stoffe zeichnen sich dadurch aus, Wasser unter Wärmeabgabe aufzunehmen und es unter Wärmezufuhr wieder abzugeben. Dieser Effekt lässt sich gut mit einem Solarkollektor kombinieren. In einer Ausführungsvariante ist es vorgesehen, mit Wasser gesättigtes Zeolith oder Silikagel in Pulverform durch die Absorber des Solarkollektors strömen zu lassen, um diesen das Wasser zu entziehen. Das getrocknete Zeolith oder Silikagel wird anschließend ohne Wärmeverlust gelagert. Wird das Zeolith oder Silikagel wieder mit Wasser in Kontakt gebracht, so gibt es die zuvor aufgenommene Energie wieder ab, die dann zur Deckung des Wärmebedarfs eines Gebäudes genutzt werden kann. Gebäude lassen sich klimatisieren, wenn man diese Stoffe an den Fassaden eines Gebäudes verbaut.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ummantelung
- 2
- Thermische Isolierung
- 3
- Absorber
- 4
- Spalt
- 5
- Scheibe
- 6
- Rohr
- 7
- Kanäle
- 8
- Latentspeicher
- 9
- Absorberfläche
- 10
- Gehäuse
- 11
- Rohrsegment
- 12
- Befestigungselement
- 13
- Geschlossenporiger Metallschaum
- 14
- Offenporiger Metallschaum
