DE102009040039A1

DE102009040039A1 - Solarthermischer Absorber und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102009040039A1
Application number: DE102009040039A
Authority: DE
Inventors: Mark Henning
Original assignee: Henning Mark Dr-Ing
Current assignee: Henning Mark Dr-Ing
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2011-03-03

Abstract

Der Absorber besteht aus einem Metallschaum (3a, 3b, 3c), vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, der mindestens ein die Wärme aufnehmendes Medium (2) führendes Rohr (1), vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer oder einer Aluminium- oder Kupferlegierung, ganz oder teilweise umschließt, wobei die nach Einbau dem einfallenden Sonnenlicht zugewandte Seite des Metallschaums ganz oder teilweise offene Poren (3a) oder eine geschlossene Haut (3b) aufweisen kann oder mit einem Deckblech (4) verbunden sein kann. Der Absorber ist auf der nach Einbau das Sonnenlicht absorbierenden Seite vorzugsweise beschichtet, zum Beispiel schwarz, um eine möglichst hohe Strahlenabsorption bei möglichst niedrigen Wärmeabstrahlverlusten zu erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Absorber mit effizienten Wärmeübertragungseigenschaften sowie Verfahren zur Herstellung desselben.
Auf dem Markt befindliche solarthermische Absorber weisen meist Absorberbleche auf, die in punkt-, linien- oder bandkontakt mit Rohren stehen, welche das die Wärme aufnehmende Fluid enthalten. Es gibt auch Bauformen, bei denen das Absorberblech ganz oder teilweise um die Rohre herumgelegt ist oder möglichst großflächig mit einem weiteren Blech verbunden ist, das ganz oder teilweise um die Rohre herumgelegt ist (zum Beispiel EP 1 271 070 A2 ). Diese Bauformen haben den Nachteil, dass die Herstellung von profilierten Blechen, das Fügen von Rohren und Blechen sowie das Fügen von Blechen untereinander kostenintensiv ist. Der Wärmeleitungswiderstand ist aufgrund der dünnen Absorberbleche und der kleinen Kontaktbereiche zwischen Absorberblech und Rohr erhöht, weshalb viele Rohre in einem geringen Abstand voneinander benötigt werden.
In US 2006/0042625 A1 ist zwischen einer Absorberfolie und den Rohren ein Füllkörper aus einem gut wärmeleitenden Material eingelegt, der den Wärmefluss von der Folie zu den Rohren verbessern soll und die Rohre bis zur Hälfte umschließt. Nachteilig ist hier, dass bereits geringe Fertigungsungenauigkeiten, eine unterschiedliche Wärmeausdehnung von Rohren und Füllkörper aufgrund unterschiedlicher Temperaturverteilung oder unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten, sowie Unachtsamkeiten bei Zusammenbau, Transport oder Montage zu kleinen Luftspalten führen können, welche die Wärmeleitung signifikant behindern. Des Weiteren können die Rohre höchstens bis zur Hälfte vom Füllkörper umschlossen werden.
In US 3 848 666 A wird ein Paneel aus Aluminiumschaum beschrieben, in welches Rohre eingegossen werden beziehungsweise sind, die von dem Wärmeträgermedium durchströmt werden. Diese Paneele können als Dacheindeckung für Hausdächer verwendet werden, um ebensolche Paneele zu erwärmen, die als Heizkörper in Wohnräumen angebracht sind. Nachteilig ist hier, dass das Paneel aufgrund der fehlenden Wärmedämmung und Beschichtung einen geringen Wirkungsgrad aufweist. Folglich ist die beschriebene Konstruktion nur bei starker Sonneneinstrahlung wirksam, während der ein Heizbedarf von Wohnräumen häufig jedoch nicht oder nur in geringem Umfang gegeben ist. Ferner ist die Herstellung über einen Gießprozess aufwändig und die Rohre müssen dabei vollständig vom Aluminiumschaum umschlossen eingegossen werden. Des Weiteren sind Ein- und Auslässe der Rohre jeweils auf der gleichen Seite des Paneels angeordnet.
In EP 1 688 683 A1 wird die Absorberoberfläche mikroskopisch aufgerauht und makroskopisch verformt, sodass eine verbesserte Strahlenabsorption erfolgt, da reflektierte Strahlung zu einem gewissen Teil erneut absorbiert wird. Nachteilig ist, dass kleine Mikroporen bei einem anschließenden schwarzen Beschichten oder Einfärben des Absorberbleches zum Teil verschlossen werden können. Des Weiteren erfordert die Herstellung der Absorberoberfläche mindestens zwei zusätzliche Arbeitsschritte: einen chemischen für die Mikroporosität sowie einen mechanischen für die Verformung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei optimalen Absorptionseigenschaften für Solarstrahlung die so entstandene Wärmeenergie optimal an ein Wärmeträgermedium abzuführen, sodass eine im Vergleich zu herkömmlichen solarthermischen Absorbern deutliche Erhöhung der Effizienz resultiert, wobei zugleich ein einfaches und kostengünstiges Herstellverfahren angewendet werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen solarthermischen Absorber gelöst, der im einfachsten Fall aus einem Metallschaum besteht, welcher mindestens ein die Wärme aufnehmendes Medium führendes Rohr ganz oder teilweise umschließt. Diese Verbindung kann stoffschlüssig ausgeführt werden. Die nach Einbau der Sonne zugewandte Seite des Metallschaums kann ganz oder teilweise offene Poren oder eine geschlossene Haut aufweisen. Auf besagter Seite kann ein Deckblech mit dem Metallschaum verbunden sein. Diese Verbindung kann stoffschlüssig ausgeführt werden. Um eine möglichst hohe Strahlenabsorption bei möglichst niedrigen Wärmeabstrahlverlusten zu erreichen, kann der Absorber auf besagter Seite beschichtet oder eingefärbt sein, insbesondere mit schwarzer Farbe.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher beschrieben.
zeigt einen Absorber, bei dem die nach Einbau der Sonne zugewandte Seite offene Poren aufweist.
zeigt einen Absorber, bei dem die nach Einbau der Sonne zugewandte Seite keine offenen Poren aufweist, sondern zum Beispiel eine überwiegend geschlossene Gusshaut.
zeigt einen Absorber, bei dem die nach Einbau der Sonne zugewandte Seite ein mit dem Metallschaum verbundenes Deckblech aufweist.
zeigt einen Absorber, bei dem der Metallschaum auf der nach Einbau der Sonne zugewandten Seite das Rohr nicht vollständig umschließt und beispielsweise eine offenporige Oberfläche aufweist.
Der Absorber besteht aus mindestens einem Rohr (1), welches von dem die Wärme aufnehmenden Medium (2) durchströmt wird. Das Rohr (1) ist vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer oder einer Aluminium- oder Kupferlegierung. Das Rohr (1) ist ganz oder teilweise von einem Metallschaum umgeben (3a, 3b, 3c). Dieser Metallschaum (3a, 3b, 3c) besteht vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Die nach Einbau dem einfallenden Sonnenlicht zugewandte Seite kann ganz oder teilweise offenporig (3a) sein, über eine geschlossene Fläche verfügen wie beispielsweise eine Gusshaut (3b), oder mit einem Deckblech (4) verbunden sein (3c). Das Deckblech (4) ist vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer oder einer Aluminium- oder Kupferlegierung.
Die nach Einbau das Sonnenlicht absorbierende Fläche des Absorbers ist vorzugsweise schwarz eingefärbt, um den Absorptionsgrad zu maximieren und den Emissionsgrad zu minimieren.
Einer der Vorteile dieser Konstruktion besteht darin, dass die Wärme dem Rohr (1) nicht punktuell, sondern über einen großen Bereich gleichmäßig zugeführt wird. Des Weiteren kann die Wärme einen direkteren Weg von der das Sonnenlicht absorbierenden Absorberoberfläche zum Rohr (1) nehmen, was den Wärmewiderstand verringert. Aus diesem Grund wird die Wärme der Absorberoberfläche schneller abgeführt. Die Oberflächentemperatur des Absorbers ist bei gleicher Sonneneinstrahlung deshalb geringer als bei einem Absorber herkömmlicher Bauart. Da die Abstrahlverluste umso niedriger sind, desto niedriger die Oberflächentemperatur ist, weist ein erfindungsgemäßer solarthermischer Absorber eine erhöhte Effizienz auf. Simulationsrechnungen zeigen, dass die Größenordnung der Effizienzerhöhung 20% und mehr betragen kann.
Offene Poren an der Absorberoberfläche (3a) sind von Vorteil, da auf eine Oberfläche auftreffende Strahlung immer nur teilweise absorbiert wird. Ein Teil der Strahlung wird reflektiert. Durch die Porosität wird ein Teil der reflektierten Strahlung erneut absorbiert, was eine Effizienzsteigerung bewirkt.
Die für Rohr (1) und Deckblech (4) vorzugsweise verwendeten Materialien haben den Vorteil, sich mit dem vorzugsweise auf Aluminium oder einer Aluminiumlegierung basierenden Metallschaum leicht stoffschlüssig verbinden zu lassen, was einen möglichst guten Wärmeübergang gewährleistet.
Im Betrieb kommt es zu sich ständig ändernden Temperaturverteilungen innerhalb des Absorbers, beispielsweise zwischen Tag und Nacht. Aufgrund der Wärmeausdehnung entstehen mechanische Spannungen, welche jedoch von dem Metallschaum (3a, 3b, 3c) ausgeglichen werden können, ohne dass Materialermüdung eintritt oder die thermisch leitende Verbindung mit dem Rohr (1) beziehungsweise dem Deckblech (4) darunter leidet. Der erfindungsgemäße solarthermische Absorber verfügt deshalb über eine besondere Langlebigkeit.
Das Verfahren zum Einbringen des Rohres in den Metallschaum kann auf vielfältige Art und Weise durchgeführt werden. Optional kann im ersten Schritt der für das Rohr vorgesehene Bereich im Metallschaum ganz oder teilweise bereits bei der Metallschaumherstellung ausgespart oder nachträglich ausgeräumt werden. Anschließend kann das Rohr eingepresst werden, eingeklebt werden oder nach vorhergehendem Erhitzen des Rohres über die Schmelztemperatur des Metallschaums eingepresst werden, sodass der Metallschaum bei Kontakt mit dem Rohr aufschmilzt und zwischen beidem beim Abkühlen eine feste stoffschlüssige Verbindung entsteht.
Wird der Metallschaum durch Erhitzen eines Pulvers mit einem im Pulver enthaltenen Aufschäummittel hergestellt, kann das Rohr in das Pulver eingelegt werden, sodass sich der Schaum um das Rohr herum bildet und sich fest mit diesem verbindet. Je nach Lage des Rohres im Pulver sowie der Dicke der Pulverschicht kann gezielt eingestellt werden, welcher Teil des Rohres anschließend von Metallschaum umgeben ist.
Bei den Verfahrensvarianten, bei denen zur Verbindung zwischen Rohr und Metallschaum erhöhte Temperaturen verwendet werden, können zur Verbesserung der Verbindung die Materialien von Rohr und Metallschaum so gewählt werden, dass bei der herrschenden Temperatur im Kontaktbereich aus beiden Materialien mindestens eine Legierung entsteht, die einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als die Materialien von Rohr und Metallschaum, und die bei der herrschenden Temperatur flüssig ist. Dies ist zum Beispiel bei der Materialpaarung Kupfer (Rohr) und Aluminium (Metallschaum) der Fall. Der Schmelzpunkt von Aluminium liegt bei circa 660°C, der von Kupfer bei circa 1085°C. Beide Metalle bilden ein niedrigschmelzendes Eutektikum bei circa 548°C. Bei Temperaturen oberhalb 548°C beginnt sich deshalb im Kontaktbereich beider Metalle eine flüssige Phase zu bilden, die beim Erstarren beide Körper stoffschlüssig miteinander verbindet. Umso höher die Temperatur ist, umso schneller findet dieser Prozess statt. Insbesondere wenn die Schmelztemperatur des niedriger schmelzenden Ausgangsmaterials, im genannten Beispiel Aluminium, erreicht oder sogar überschritten wird, kann schnell eine dauerhafte stoffschlüssige Verbindung erreicht werden. So wie am Beispiel der Reinmetalle Aluminium und Kupfer beschrieben, kann diese Art des Fügens auch mit geeigneten Aluminiumlegierungen und Kupferlegierungen oder anderen Materialpaarungen durchgeführt werden.
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

EP 1271070 A2 [0002]
US 2006/0042625 A1 [0003]
US 3848666 A [0004]
EP 1688683 A1 [0005]

Claims

Solarthermischer Absorber, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallschaum mindestens ein die Wärme aufnehmendes Medium führendes Rohr ganz oder teilweise umschließt und mit diesem thermisch leitend, insbesondere stoffschlüssig, verbunden ist, wobei der Metallschaum auf der nach Einbau dem einfallenden Sonnenlicht zugewandten Seite offenporig ist oder eine geschlossene Haut aufweist.
Solarthermischer Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum auf der nach Einbau dem einfallenden Sonnenlicht zugewandten Seite zwecks besserer Absorption oder geringerer Emission beschichtet oder eingefärbt ist, insbesondere mit schwarzer Farbe.
Solarthermischer Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum auf der nach Einbau dem einfallenden Sonnenlicht zugewandten Seite mit einem Deckblech thermisch leitend verbunden ist, sodass das einfallende Sonnenlicht zumindest teilweise vom Deckblech anstelle vom Metallschaum absorbiert wird.
Solarthermischer Absorber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr direkt an das Deckblech grenzt und mit diesem thermisch leitend verbunden ist.
Solarthermischer Absorber nach einem der Ansprüche 3–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckblech zwecks besserer Absorption oder geringerer Emission beschichtet oder eingefärbt ist, insbesondere mit schwarzer Farbe.
Verfahren, mindestens ein die Wärme aufnehmendes Medium führendes Rohr in den Metallschaum einzubringen und mit diesem zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr in das für die Erzeugung des Metallschaums verwendete und mit einem Aufschäumer versehene Metallgranulat oder Metallpulver eingelegt und zusammen mit diesem erhitzt wird, wobei das Metallgranulat beziehungsweise Metallpulver erweicht oder aufschmilzt und der Aufschäumer durch Gasbildung für die Schaumstruktur sorgt.
Verfahren, mindestens ein die Wärme aufnehmendes Medium führendes Rohr in den Metallschaum einzubringen und mit diesem zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr erhitzt wird und in den kalten oder ebenfalls erhitzten Metallschaum eingepresst wird.
Verfahren, mindestens ein die Wärme aufnehmendes Medium führendes Rohr in den Metallschaum einzubringen und mit diesem zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr in den Metallschaum eingeklebt wird, wobei die Klebemasse auch die an das Rohr grenzenden, offenen Poren des Metallschaums zumindest teilweise ausfüllt und thermisch besser leitend ist als Luft bei 0°C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien von Rohr und Metallschaum so ausgewählt werden, dass zwischen dem Rohr und dem Metallschaum eine stoffschlüssige Verbindung entsteht, die darauf basiert, dass bei erhöhter Temperatur im Kontaktbereich aus beiden Materialien mindestens eine weitere Legierung entsteht, die einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als die Materialien von Rohr und Metallschaum und bei der herrschenden Temperatur flüssig ist, sodass beispielsweise zwischen erhitztem, möglicherweise flüssigem oder breiartigem Metallschaum und auf annähernd gleiche Temperatur erhitztem, aber noch festem Rohr die Oberfläche des Rohres unter Kontakt mit dem Metallschaum anschmilzt und beim Abkühlen fest mit diesem verbunden erstarrt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Rohres zur besseren Verbindung mit dem Metallschaum beziehungsweise dem Klebstoff modifiziert wird, insbesondere durch Beizen, Aufrauhen oder Beschichten.