DE102009022932B4 - solar collector - Google Patents
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Abstract
Solarkollektor mit mindestens einem thermischen Absorber zum Absorbieren von Solarstrahlung (3), der von einem Gehäuse (10) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (3) aus einer metallischen oder metallisierten, vernetzten 3D-Schaumstruktur besteht.Solar collector with at least one thermal absorber for absorbing solar radiation (3), which is surrounded by a housing (10), characterized in that the absorber (3) consists of a metallic or metallized, crosslinked 3D foam structure.
Description
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.The invention relates to a direction independent solar collector with high efficiency, whose application is particularly useful as a thermal collector, for. B. for drying buildings or as a heating support, or offers as a solar concentrator.
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.Solar collectors are devices that absorb the energy contained in sunlight by means of an absorber, convert it into heat and deliver it to a transmission medium. The recovered heat energy is usually used for the production of hot water or for space heating. Occasionally, the heat energy is also used to generate electrical energy, eg. B. by means of generators that are powered by heat engines used.
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.Solar collectors use almost the entire radiation spectrum of sunlight; As a result, relatively high efficiencies can be achieved with them. The efficiency of a solar collector is determined superficially by its absorber, but also by the thermal insulation effect of its housing.
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.Absorbers of solar collectors must absorb the short-wave sunlight well and at the same time emit only longer wavelength heat radiation weakly. In addition, they must allow as complete as possible heat exchange with the heat transfer medium.
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.The housing of solar collectors, which are provided with a transparent pane for the incidence of light, must be well insulated in order to prevent the recovered heat energy being lost again.
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.The thermal insulation of the housing is technically already very well developed. The housings of so-called vacuum tube collectors are thermally insulated by means of vacuum insulation. Their panes are made of coated glass, which has a high transparency for the short-wave sunlight and a high reflectivity for long-wave heat radiation.
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.As absorber so far provided with special coatings aluminum or copper sheets are used. With such sheets, however, neither a maximum absorption of sunlight nor a minimum emission of heat radiation can be achieved. In addition, so no optimal heat exchange with the heat transfer medium is possible.
Aufgrund dessen, dass die Gehäuse von Sonnenkollektoren bereits sehr effektiv sind, zielen Weiterentwicklungen von Solarkollektoren auf verbesserte Absorber.Due to the fact that the housings of solar collectors are already very effective, further developments of solar collectors are aimed at improved absorbers.
So wird in
In
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.By using a volumetric absorber instead of the usual sheets, an improvement in the efficiency of solar collectors can be achieved per se. However, porous absorbers usually form a very high flow resistance, which must be assumed here since the porous body was not specified in more detail. It follows that only little heat energy is transported per time, which ultimately results in a poor heat exchange.
Die
Die
Die
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.The invention has for its object to provide a solar collector having an absorber, which shows a high absorption capacity for sunlight and a low emission of heat radiation. In addition, the absorber should allow a good heat exchange to heat transfer media.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 19. This object is achieved by the features of
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.The starting point is a solar collector whose absorber is surrounded by a housing. According to the invention, the absorber consists of a metallic, networked 3D structure. It is envisaged that the absorber is preferably made of open-pore metal foam made of aluminum or an aluminum alloy. Particularly suitable are copper and copper alloys, which are characterized by a very high thermal conductivity.
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.A much cheaper alternative is closed-cell metal foam, which, however, compared to open-cell metal foam one, albeit only slightly, lower efficiency. Both the open-pore and the closed-pore metal foam are made of aluminum or an aluminum alloy. The efficiency of an absorber made of closed-cell metal foam can be increased by applying a layer of open-pore metal foam to the surface of the closed-cell metal foam; Thus, the absorber consists of both open-pore and closed-pore metal foam, the reflection of sunlight being largely prevented by the open-pored metal foam.
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.A cost-effective, but in particular with respect to the heat exchange deteriorated alternative to the metal foam is open-cell plastic foam (eg., Polyurethane foam) is coated with metal. In the same way, the body may consist of ceramic foam.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass sowohl die offenporigen Metallstrukturen als auch die geschlossenporigen Metallstrukturen mit dotiertem Silizium beschichtet sind.It is inventively provided that both the open-pored metal structures and the closed-pore metal structures are coated with doped silicon.
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.At least for the parts of the surface of the absorber, which face the sun, coatings are provided which absorb the irradiated short-wave solar energy well (high absorption in the solar radiation), but the longer-wave heat radiation generated in the absorber only to a small extent (low emissivity in the area of heat radiation). As coatings black nickel or commercially available coatings are therefore used, the u. a. known under the trade names TiNOX, eta plus and sun select.
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.The foam structure of the absorber is characterized by a very good ratio of absorption to reflection. The absorption can, depending on the pore size, take place in open-pored metal foam to a depth of 30 mm; Reflection, on the other hand, takes place only to a small extent, since there is no regular reflection surface. The small amount of reflected radiation, moreover, before being able to leave the metal foam, is largely scattered back into the foam structure, i. H. the foam acts as a so-called light trap.
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.In order to achieve high efficiencies, a good heat exchange between the absorber and the used gaseous (air) or liquid (water, oil) heat transfer medium, which either moves due to convection through the absorber unit or is actively pumped, must take place in the absorber unit. This is best ensured by using an open-pored structure, which on the one hand can be flowed through by heat transfer media (low flow resistance) and on the other hand has a large surface area.
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.When using closed-cell metal foam, it is intended to provide the absorber with tubes or to impress channels into the foam structure through which the heat transfer medium is pumped. The high density of the closed-cell metal foam allows a higher heat flow from the absorption surface to the heat exchanger. The embossing of the channel structure allows the depth and width of the channels to be varied as desired, thus ensuring optimum removal of the heat from the structure. With correspondingly embossed metal sheets which are introduced into the channel structure, the metal foam is sealed off from the heat transfer medium (eg thermal oil). The metal sheets also protect the metal foam against aggressive heat transfer media (eg chlorinated water in swimming pools) from corrosion.
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.According to the invention, the absorber is introduced into a housing and covered by a pane of transparent material, preferably glass, designed as window glass or glass with a lens (Fresnel lens), wherein the absorber and the pane are separated by an air gap. The case, depending on the application box or tubular running, is thermally insulated, for. B. by means of foamed glass or vacuum.
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.According to the invention, the metal foam, which has suitable feed and discharge lines, is flowed through by a fluid, preferably air, but also water, an organic fluid (ORC) or thermal oil. It is envisaged that the sheathed composite metal foam / glass / insulation is vacuum-tight, whereby the heat is transmitted via solid bodies, such as pipes.
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. In a box-shaped design of the thermal absorber temperatures in the range of 60 to 100 ° C can be achieved in specially designed tubular absorbers, which are used in solar concentrators, a temperature level of 150 to 300 ° C is reached.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von acht Ausführungsbeispielen näher erläutert; hierzu zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to eight embodiments; show:
Der in
Die Verwendung eines solchen Solarkollektors bietet sich beispielsweise als Verkleidungselement an Gebäudewänden an, wobei er hier auch speziell zur dauerhaften Trockenlegung genutzt werden kann.The use of such a solar collector offers, for example, as a cladding element on building walls, where it can also be used here for permanent drainage.
Dieser Solarkollektor eignet sich besonders für die Unterstützung von Heizungsanlagen (z. B. in Eigenheimen), da durch den Latentspeicher
Bei dem in
Der Absorber
Der Absorber
Die Absorberfläche
In
Ein Absorber
Ein Absorber
In
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.As a further (not shown) embodiment variant is provided to mount a planar solar collector on a tetrahedral support structure, which is rotatably mounted in one of its vertices of its base. As a result, the solar collector can be tracked particularly easily the course of the sun throughout the day. If the supporting structure is mounted floating on a water surface, the solar collector can even be tracked without friction.
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.It is advantageous to use zeolites or silica gel as fluid and as latent storage. These substances are characterized by absorbing water while releasing heat and releasing it with heat again. This effect can be combined well with a solar collector. In one embodiment variant, water-saturated zeolite or silica gel in powder form is allowed to flow through the absorbers of the solar collector in order to extract the water from it. The dried zeolite or silica gel is then stored without loss of heat. When the zeolite or silica gel is brought back into contact with water, it releases the previously absorbed energy, which can then be used to cover the heat demand of a building. Buildings can be conditioned by installing these materials on the facades of a building.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Ummantelungjacket
- 22
- Thermische IsolierungThermal insulation
- 33
- Absorberabsorber
- 44
- Spaltgap
- 55
- Scheibedisc
- 66
- Rohrpipe
- 77
- Kanälechannels
- 88th
- Latentspeicherlatent storage
- 99
- Absorberflächeabsorber surface
- 1010
- Gehäusecasing
- 1111
- Rohrsegmentpipe segment
- 1212
- Befestigungselementfastener
- 1313
- Geschlossenporiger MetallschaumClosed-cell metal foam
- 1414
- Offenporiger MetallschaumOpen-pored metal foam
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