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Technisches Gebiet:
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Die
Erfindung betrifft einen Solar-Flachkollektor mit wenigstens einer
Absorberfläche, einer transparenten Abdeckung, sowie mit
wenigstens einem Wärmeträgerrohr, welches ein
Wärmeträgermedium enthält, gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik:
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Das
Funktionsprinzip von Solar-Flachkollektoren beruht darauf, dass
Sonnenstrahlung eine Absorberfläche bestrahlt, dort großteils
absorbiert wird und hierdurch die Absorberfläche erwärmt,
wobei dies in thermischem Kontakt steht mit in der Regel einem mäanderförmig
gewundenen oder mit mehreren parallelen Röhren. Diese sind
von einer die Wärme an einen Speicher, einen Wärmetauscher
oder einen Verbraucher abführenden Wärmeträgerflüssigkeit durchflossen.
Die Röhre bzw. die parallelen Röhren verlaufen
dabei in einer Ebene, woraus sich die Bezeichnung ”Solar-Flachkollektor” erklärt.
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Aus
der
DE 20 2007
008 053 U1 ist ein Hochleistungs-Vakuum-Flachkollektor
bekannt, welcher aus drei Teilen besteht, nämlich aus durchsichtigen Scheiben,
aus abgedunkelten, Wärme absorbierenden, hitzebeständigen
Scheiben und aus einer Wärmeleitplatte, auf welcher sich
ein Wärmeträgerrohr befindet. Des Weiteren beschreibt
die
DE 10 2007 062
264 A1 einen solarthermischen Vakuum-Flachkollektor, welcher
aus sehr wenigen Einzelteilen besteht.
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Die
DE 202 16 297 U1 beschreibt
einen heliothermischen Flachkollektor-Modul in Sandwichbauweise
mit einem Metallblech-Paneel, einer registerartigen Anordnung von
Kapillar-Röhrchen und einem Dämmstoffkern, wobei
die Kapillar-Röhrchen auf eine Oberfläche des
Dämmstoffkerns gelegt sind und dieser mit dem Metallblech-Paneel
elastisch klebend verbunden ist.
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Den
Solar-Flachkollektoren des Standes der Technik ist der Nachteil
gemeinsam, dass der Abtransport der gewonnenen Wärme relativ
uneffektiv ist und in den meisten Fällen die Wärmeträgerflüssigkeit
mit einer Umwälzpumpe gefördert werden muss, was
aufwändig ist und Energie verbraucht.
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Technische Aufgabe:
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Solar-Flachkollektor
zu schaffen, der auf besonders einfache, wenig aufwändige
Weise herzustellen ist und eine große Solarernte wie auch
eine lange Lebensdauer aufweist. Der Erfindung liegt auch die Aufgabe
zu Grunde, einen Solar-Flachkollektor zu schaffen, mit dem im primären
Kreislauf der Wärmeträgerflüssigkeit
eine Umwälzpumpe überflüssig wird, wodurch
die Herstellungskosten und der Herstellungsaufwand verringert werden
sowie beim Betrieb des Solar-Flachkollektors Energie gespart wird
und somit der Gesamtwirkungsgrad des Solar-Flachkollektors gegenüber
dem Stand der Technik verbessert werden soll.
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Lösung der Aufgabe:
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A1
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst
durch einen Solar-Flachkollektor mit wenigstens einer Absorberfläche,
einer transparenten Abdeckung, sowie mit wenigstens einem Wärmeträgerrohr,
welches eine Wärmeträgerflüssigkeit enthält, wobei
Sonnenstrahlung imstande ist, die Abdeckung zu durchdringen und
danach auf die Absorberfläche zu gelangen und diesen zu
erwärmen, und das Wärmeträgerrohr an
der die Absorberfläche angeordnet ist und mit diesem in
thermischem und mechanischem Kontakt steht, so dass eine Erwärmung
der Absorberfläche durch Sonnenstrahlung auf Grund von
Wärmeleitung zu einer Erwärmung des Wärmeträgerrohres
und somit auch zu einer Erwärmung der darin befindlichen
Wärmeträgerflüssigkeit führt,
wobei das Wärmeträgerrohr ein Wärmerohr,
nämlich ein Heatpipe oder ein Zwei-Phasen-Thermosiphon,
ist.
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A2
Bevorzugt weist der Solar-Flachkollektor eine Wärmedämmung
auf, die den Abfluss von Verlustwärme nach außerhalb
des Solar-Flachkollektors vermindert.
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Wärmerohre,
nämlich Heatpipes und Zwei-Phasen-Thermosiphone, sind rohrförmige,
geschlossene Wärmeüberträger, die unter
Nutzung von Verdampfungswärme eines Wärmeträgermediums, z.
B. Wasser, welches in dem Heatpipe bzw.
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Zwei-Phasen-Thermosiphon
eingeschlossen ist und darin teils in gasförmiger, teils
in flüssiger Phase vorliegt, eine besonders hohe Wärmestromdichte
und somit einen besonders effektiven Wärmetransport erlauben.
Bei gleicher Wärmetransportleistung und gleichen Einsatzbedingungen
sind Heatpipes und Zwei-Phasen-Thermosiphone wesentlich leichter
als herkömmliche Wärmetauscher. Heatpipes und
Zwei-Phasen-Thermosiphone werden auch zusammenfassend als ”Wärmerohre” bezeichnet. Das
Wärmerohr weist an seinem einen Ende einen Kondensator
auf. Das Rohr, in welchem sich das Wärmeträgermedium
befindet, mündet in den Kondensator. Der außerhalb
des Kondensators befindliche Teil des Rohres wird als Verdampferzone
bezeichnet. Durch Aufnehmen von Wärme in der Verdampferzone
beginnt die flüssige Phase des Wärmeträgermediums
zu verdampfen, die Wärme wird als latente Energie gespeichert.
Durch den neu entstandenen Dampf entsteht ein Gradient des Dampfdrucks,
wodurch dieser Dampf in Richtung Kondensator strömt. Dort
wird die aufgenommene Wärme über eine Phasenumwandlung
Dampf-Flüssigkeit (Freisetzung latenter Wärme)
wieder abgegeben. Die so durch Kondensation entstandene Flüssigkeit
kehrt beim Zwei-Phasen-Thermosiphon durch Schwerkraft vom Kondensator
in die Verdampferzone zurück. Zwei-Phasen-Thermosiphone
müssen daher stets ein Gefälle längs
des Rohres aufweisen, um arbeiten zu können, d. h. der
Kondensator muss höher liegen als die Verdampferzone. Auch
eine senkrechte Aufstellung ist möglich, der Neigungswinkel
liegt bevorzugt bei 15° bis 90° gegen die Horizontale.
Beim Heatpipe kehrt die Flüssigkeit durch Kapillarkraft
in die Verdampferzone zurück; Heatpipes können
daher auch waagerecht aufgestellt bzw. montiert werden.
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Die
Innenseite der Wandung des Heatpipe-Rohres kann beispielsweise mittels
einer Verkleidung oder durch eine spezielle Oberflächenbehandlung
so gestaltet sein, dass Kapillaren für den Transport des
flüssigen Wärmeträgermediums gebildet sind.
Ebenfalls ist bekannt, einen Docht im Innenraum vorzusehen, um eine
Kapillarwirkung zu erzeugen.
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Auf
Grund des effektiven, sehr schnellen Abtransports der Wärme
aus der Verdampferzone heraus ist der Wärmeverlust durch
Ableitung von Wärme nach außerhalb des Solar-Flachkollektors
gering; dies ist ein erheblicher Vorteil des erfindungsgemäßen
Solar-Flachkollektors.
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Je
nach vorgesehener Arbeitstemperatur des Wärmerohres kommen
verschiedene Medien als Wärmeträgermedium in Frage,
insbesondere Wasser, Öl und verschiedene Chemikalien.
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Das
Wärmeträgerrohr kann z. B. an die Absorberfläche
angeschweißt sein, z. B. mittels Laserschweißung.
Gemäß einer anderen Variante ist das Wärmeträgerrohr
an die Absorberfläche angepresst. Vorzugsweise ist der
mechanische Kontakt bzw. die Anschmiegung zwischen Absorberfläche
und Wärmeträgerrohr durch Anreiben verbessert.
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A3
Bevorzugt ist zwischen der Absorberfläche und dem Wärmeträgerrohr
thermischer und zugleich mechanischer Kontakt durch einen Wärmeleitkleber
hergestellt. A4 Bevorzugt fixiert der Wärmeleitkleber zusätzlich
das Wärmeträgerrohr an der Absorberfläche.
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A5
Die Absorberfläche kann insbesondere durch eine Folie oder
Platte, insbesondere Metallfolie oder Metallplatte, gebildet sein,
an deren von der Abdeckung abgewandten Seite das Wärmeträgerrohr angeordnet
ist.
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A6
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Wärmeleitkleber zur Verbesserung
des Wärmeübergangs zwischen Absorberfläche
und Wärmeträgerrohr ein solcher, in welchen Partikel,
Körner oder Späne aus Metall, insbesondere Kupfer,
eingebettet sind. A7 Bevorzugt ist der Wärmeleitkleber
ein solcher, welcher im ausgehärteten Zustand hochelastisch
ist.
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A8
Bevorzugt ist ein Nanogel als Wärme dämmendes
Material Teil der Wärmedämmung. Nanogel ist als
hochwirksamer Dämmstoff z. B. unter dem Handelsnamen ”Aerogel” in
Granulatform erhältlich. Grundbestandteil von ”Areogel” ist
amorphe Kieselsäure (Silica). A9 Die Wärmedämmung
kann wenigstens eine Matte enthalten oder aufweisen, welche Nanogel
enthält.
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Ein
wesentlicher Vorteil von Nanogel besteht in seiner außerordentlich
starken Wärmedämmwirkung. Ein weiterer Vorteil
besteht darin, dass keine Feuchtigkeitsprobleme auftreten, da Nanogel
keine Feuchtigkeit aufnimmt, im Gegensatz zu herkömmlichen
Dämmmaterialien.
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Nanogel
ist ein Wärmedämmmaterial, welches neben einer
herausragenden Wärmeisolierung bzw. -dämmung weitere
besondere Eigenschaften aufweist, z. B. unverrottbar, setzungssicher
und nicht brennbar zu sein, unförmige Hohlräume
aufgrund seiner Struktur lückenlos auszufüllen
und keine Feuchtigkeit aufzunehmen. Vorteile einer Verwendung von
Nanogel als Wärmedämmmaterial ergeben sich durch
dessen im Vergleich zu beispielsweise Mineralwolle fünffach
höhere Wärmedämmeigenschaft. Darüber
hinaus ist Nanogel im Vergleich zu anderen Wärmedämmmaterialien ökologisch
unbedenklich.
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A10
Gemäß einer vorteilhaften Variante der Erfindung
weicht der Querschnitt des Wärmeträgerrohrs von
der Kreisform ab und weist die Form eines Dreiecks oder eines Dreiecks
mit wenigstens einer abgerundeten Ecke oder eines Dreiecks mit wenigstens
einer nach außen gebogenen Seite oder eines Dreiecks mit
wenigstens einer nach außen gebogenen Seite und wenigstens
einer abgerundeten Ecke auf, wobei eine Seite des Dreiecks der Absorberfläche
zugewandt und parallel zu dieser ausgerichtet ist und die dieser
Seite gegenüberliegende Ecke des Dreiecks von der Absorberfläche
abgewandt ist.
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A11
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung weicht
der Querschnitt des Wärmeträgerrohrs von der Kreisform
ab und weist die Form eines Rechtecks oder Quadrates oder eines
Rechtecks oder Quadrates mit wenigstens einer abgerundeten Ecke
oder eines Rechtecks oder Quadrates mit wenigstens einer nach außen
gebogenen Seite oder eines Rechtecks oder Quadrates mit wenigstens
einer nach außen gebogenen Seite und wenigstens einer abgerundeten
Ecke auf, wobei eine Seite des Rechtecks oder Quadrates der Absorberfläche
zugewandt und parallel zu dieser ausgerichtet ist, und die dieser Seite
gegen überliegende Seite des Rechtecks oder Quadrates von
der Absorberfläche abgewandt ist.
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A12
Bevorzugt weist das Wärmerohr in einem seiner Endbereiche
einen Kondensator auf, welcher sich in einem von einer Nutzwärmeflüssigkeit durchströmten
Wärmetauscher befindet, wobei der Kondensator ohne zwischengeschaltetes
festes Material in direktem Kontakt mit der Nutzwärmeflüssigkeit
steht und Wärme an diese abgibt, und die Nutzwärmeflüssigkeit
diese Wärme nach außerhalb des Solar-Flachkollektors
transportiert.
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Der
erfindungsgemäße Flachkollektor ist ein neuartiger
Solarkollektor mit Heat-Pipe-Röhrensystem oder mit Zwei-Phasen-Thermosiphon-Röhrensystem.
Konventionelle Flachkollektoren werden mit einer Hydraulik im Harfensystem
oder mit mäanderförmigen Rohrführungen
hergestellt. Ein erfindungsgemäßer Flachkollektor
mit Heat-Pipes funktioniert ähnlich einem Heat-Pipe-Vakuumröhrenkollektor,
jedoch ohne die Notwendigkeit einer Vakuumröhre und eines
Reflektors.
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Die
Absorberfläche, welche vorzugsweise eine selektive Absorberfläche
aus BlueTec ist, überträgt die durch Absorption
von Sonnenstrahlung entstehende Wärme direkt auf das Wärmerohr
bzw. die Wärmerohre, welche als Heat-Pipes oder als Zwei-Phasen-Thermosiphone
ausgebildet sind und vorzugsweise aus Kupfer bestehen. Beispielsweise können
16 Wärmerohre pro erfindungsgemäßem Solar-Flachkollektor
vorgesehen sein. An jedem Wärmerohr ist ein Kondensator
angeordnet, welcher bevorzugt in einem Wärmetauscher bzw.
einem Sammelrohr angeordnet, z. B. dort eingelötet ist.
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Der
Wärmetauscher wird von Nutzwärmewasser (oder einer
anderen Nutzwärmeflüssigkeit) durchströmt,
welches sich, umgewälzt durch eine Pumpe, in einem Sekundarkreislauf
befindet und den Kondensatoren Wärme entzieht und diese
nach außerhalb des Flachkollektors zu einem Verbraucher oder
Speicher transportiert.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Hülsen
weggelassen, so dass die Kondensatoren direkt, ohne zwischengeschaltetes
Material, dem Nutzwärmewasserstrom ausgesetzt sind. Somit
wird die Wärme mit verringertem Wärmewiderstand,
d. h. höherer Effektivität, vom Kondensator direkt
an die Wärmeträgerflüssigkeit bzw. an
das Nutzwärmewasser übertragen und von diesem
z. B. einem Solarspeicher zugeführt.
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Wegen
des Fehlens einer Hülse um den Kondensator ist der Strömungswiderstand,
welchen das Nutzwärmewasser beim Durchströmen
des Wärmetauschers zu überwinden hat, verringert,
d. h. der Druckverlust des Nutzwärmewassers beim Durchströmen
des Wärmetauschers nimmt ab. Daher kann die Nutzwärmewasser-Förderleistung
verringert werden, was Energie spart und den Gesamtwirkungsgrad
des erfindungsgemäßen Flachkollektors erhöht.
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Die
Wärmeübertragung von der Absorberfläche
auf das Wärmerohr erfolgt vorzugsweise über einen
Industrie-Hochleistungs-Wärmeleitkleber, vorzugsweise vermischt
mit Kupferspänen, die eine Wärmeübertragung
forcieren und auch die Verbindung stabilisieren. Hierdurch werden
teure Laserschweißungen überflüssig.
Der Wärmeleitkleber ist bevorzugt elastisch und fängt
in diesem Fall alle Dehnungen bis zu einem gewissen Grad auf. Ein
Einreißen der Schweißnähte, welche bei
herkömmlichen Flachkollektoren notwendigerweise vorhanden
sind, entfällt daher bei einem erfindungsgemäßen
Flachkollektor, und die Vollflächenabsorber behalten bei einem
erfindungsgemäßen Flachkollektor in glattes Aussehen.
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Durch
den Wärmeleitkleber kann die Übertragungsfläche
beliebig vergrößert werden, was für einen
höheren Wirkungsgrad sorgt.
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Der
erfindungsgemäße Flachkollektor weist eine gegenüber
herkömmlichen Flachkollektoren bei gleichen Abmessungen
eine weitaus erhöhte Leistung auf und arbeitet ohne hohe
Druckverluste des Nutzwärmewassers, wenn die Kondensatoren
vom Nutzwärmewasser direkt umströmt werden, da
der Strömungswiderstand des Nutzwärmewassers im Wärmetauscher
reduziert ist.
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Die
rückseitige Isolierung bzw. Wärmedämmung
des erfindungsgemäßen Flachkollektors kann aus
Nanogel-Matten bestehen, die eine weitaus höhere Dämmwirkung
haben als z. B. Mineralwolle. Dadurch kann die Stärke der
Isolierung bzw. Wärmedämmung stark gemindert werden
und die Bauhöhe des erfindungsgemäßen
Flachkollektors verringert werden, z. B. auf eine Bauhöhe
von 60 Millimetern. Da durch die erfindungsgemäße
Konstruktion mit wenigstens einem Wärmerohr die rückseitigen
Wärmeverluste verringert sind, ist die Wärmedämmung
nicht von solcher Bedeutung wie bei herkömmlichen Flachkollektoren.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass keine Feuchtigkeitsprobleme
auftreten, da Nanogel keine Feuchtigkeit aufnimmt, im Gegensatz
zu herkömmlichen Dämmmaterialien.
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Der
erfindungsgemäße Solar-Flachkollektor ist somit
vorzugsweise mit einer speziellen Nanogel-Wärmedämmung
versehen. Hierdurch kann auf ein spezielles Frostschutzmittel bei
starkem Frost verzichtet werden, da die Nutzwärmeflüssigkeit
und die Wärmeträgerflüssigkeit auf Grund
der höchst wirksamen Wärmedämmung nicht
ohne weiteres unter ihren Gefrierpunkt abkühlen können.
Die Verzichtbarkeit von Frostschutzmitteln bzw. Thermoölen spart
Arbeitsaufwand, Kosten und Umweltbelastung.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform unterscheidet sich der erfindungsgemäße
Flachkollektor vom Stand der Technik wie folgt:
- 1.
Konstruktion mit wenigstens einem Wärmerohr (Heat-Pipe
oder Zwei-Phasen-Thermosiphon),
- 2. Wärmeübertragung unterstützt durch
industriellen Wärmeleitkleber,
- 3. innenliegender und direkt umströmter Kondensator,
d. h. der Kondensator befindet sich im Inneren des Wärmetauschers
und ist nicht von einer Hülse umgeben, so dass er in direktem
Kontakt mit dem Nutzwärmewasser steht,
- 4. Dämmung mit Nanogel-Matten (keine Feuchtigkeit in
den Kollektoren).
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Die
Wärmeübertragung erfolgt bei einem erfindungsgemäßen
Flachkollektor über die Absorberfläche bzw. das
Absorberblech. Die Absorberfläche bzw. das Absorberblech
ist mit dem Wärmerohr bzw. den Wärmerohren vorzugsweise
rückseitig verbunden. Das Wärmerohr überträgt
die Wärme durch Verdampfung in den Kondensator, der diese
im Verteiler bzw. im Wärmetauscher an die Wärmeträgerflüssigkeit
des Solarkreislaufs bzw. eines Sekundärkreislaufs (z. B.
an das Nutzwärmewasser des Nutzwärmewasserkreislaufs) übertragt.
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Die
Wärmeübertragung herkömmlicher Kollektoren
erfolgt über lasergeschweisste oder gepresste Verbindungen
mit rückseitig verlaufenden Kupfer- oder Aluminiumrohren.
Die Wärmeübertragung bei einem erfindungsgemäßen
Flachkollektor wird bevorzugt durch einen speziellen hochtemperaturbeständigen
Wärmeleitkleber bis 1000°C und Metallspänen
ausgeführt bzw. unterstützt.
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Die
Dämmung des erfindungsgemäßen Flachkollektors
enthält vorzugsweise Nanogel-Matten oder besteht aus solchen
Matten, z. B. mit 10 mm Stärke (Produkt der NASA), wodurch
Wärmeverluste minimiert werden. Die Nanogel-Dämmung
ist unverrottbar und nimmt keine Feuchtigkeit auf. Dadurch kann
die Bauhöhe des erfindungsgemäßen Flachkollektors
minimiert werden. Die Nanogel-Matten sind vorzugsweise nach vorn
bzw. zum Inneren des Flachkollektors hin z. B. mit Aluminiumfolie
abgedichtet, um eine eventuelle Ausgasung zu verhindern.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung, in welcher beispielhaft und schematisch zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Solar-Flachkollektors,
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2 einen
Querschnitt durch eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Solar-Flachkollektors
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3 eine
perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Solar-Flachkollektors,
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4 einen
Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Solar-Flachkollektors,
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5 eine
Draufsicht auf den Flachkollektor von 4 mit gestrichelt
dargestellten Rohren und Kondensatoren, weil sie von der Absorberfläche
und dem Wärmetauscher des Solar-Flachkollektors verdeckt
sind,
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6 einen
Endbereich eines der Wärmerohre eines erfindungsgemäßen
Solar-Flachkollektors, mit einem Kondensator, wobei das Wärmerohr hier
ein Zwei-Phase-Thermosiphon ist, welcher z. B. in dem Solar-Flachkollektor
der 4 und 5 zum Einsatz kommen kann,
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7 eine
Querschnitts-Detailansicht durch eines der Wärmerohre des
Solar-Flachkollektors der 4 und 5,
welches mittels Wärmeleitkleber an der Absorberfläche
fixiert ist, und
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8 eine
Draufsicht auf die Wärmerohre und den Wärmetauscher
des Solar-Flachkollektors der 4 und 5.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Solar-Flachkollektor FK
mit einer ebenen Absorberfläche A, einer transparenten
Abdeckung G, welche hier durch eine Glasplatte G gebildet ist, drei
Wärmeträgerrohren R, welche jeweils ein Wärmeträgermedium F,
V enthalten, z. B. Wasser in flüssigem Zustand F und in
dampfförmigem Zustand V, sowie mit einer Wärmedämmung
D. Die Glasplatte G und die Wärmedämmung D umschließen
einen mit Luft gefüllten Hohlraum H, an dessen von der
Glasplatte G abgewandten Begrenzungsfläche die Absorberfläche
A angeordnet ist. Auf den Solar-Flachkollektor FK einfallende Sonnenstrahlung
S ist imstande, die Glasplatte G zu durchdringen und nach Durchquerung des
Hohlraumes H auf die Absorberfläche A zu gelangen. Die
auf die Absorberfläche gelangende Sonnenstrahlung wird
dort großteils absorbiert, so dass sich die Absorberfläche
erwärmt.
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Die
Wärmeträgerrohre R sind erfindungsgemäß Wärmerohre,
d. h. Heatpipes oder Zwei-Phasen-Thermosiphone. Sie sind an der
Unterseite der Absorberfläche A mechanisch fixiert und
stehen mit dieser sowohl in thermischem als auch mechanischem Kontakt.
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Daher
führt eine Erwärmung der Absorberfläche
A durch Absorption von Sonnenstrahlung S auf Grund von Wärmeleitung
zu einer Erwärmung der Wärmeträgerrohre
R und somit auch zu einer Erwärmung des darin befindlichen
Wärmeträgermediums F, wobei die Wärmedämmung
D den Abfluss von Verlustwärme nach außerhalb
des Solar-Flachkollektors K wesentlich vermindert.
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Die
Verdampfung von Wärmeträgermedium F, der Transport
latenter Wärme zu den in 1 nicht dargestellten
Kondensatoren und die dortige Freisetzung der latenten Wärme
durch Kondensation wurde bereits oben Seite 3 Zeile 22 – Seite
4 Zeile 12 erläutert.
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Die
Wärmeträgerrohre R sind erfindungsgemäß Heatpipes
oder Zwei-Phasen-Thermosiphone, d. h. Wärmerohre R (”Wärmerohr” ist
ein Sammelbegriff für Heatpipe und Zwei-Phasen-Thermosiphon). Das
Wärmeträgermedium F, V liegt darin zugleich in flüssiger
Phase F und in Dampfphase V vor. Zwischen der Absorberfläche
A und jedem Wämeträgerrohr R ist thermischer und
zugleich mechanischer Kontakt durch einen Wärmeleitkleber
WK hergestellt, welcher das Wärmeträgerrohr R
an der Absorberfläche A vorzugsweise elastisch fixiert.
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Die
erfindungsgemäße Fixierung der Wärmeträgerrohre
R an der Absorberfläche A mittels des Wärmeleitklebers
WK bringt gegenüber einer Fixierung durch Schweißung
mehrere erhebliche Vorteile mit sich. Einer dieser Vorteile besteht
darin, dass eine Klebung weniger arbeitsaufwändig und damit
billiger und viel schneller durchführbar ist als eine Schweißung.
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Ein
weiterer Vorteil der Klebung ist, dass keine Materialschädigung
durch Hitzeeinwirkung beim Schweißen auftritt. Die Möglichkeit
des Einreißens der Schweißnähte oder
der hitzebedingten vorzeitigen Materialermüdung im Bereich
der Schweißnähte entfällt und es besteht
keine Gefahr, dass sich die Absorberfläche A durch die
Hitzeeinwirkung beim Schweißen verzieht oder uneben wird.
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Ein
zusätzlicher Vorteil der Klebung besteht darin, dass als
Klebstoff ein solcher Wärmeleitkleber verwendet werden
kann, welcher hochelastisch ist, so dass ein so hergestellter erfindungsgemäßer,
anders als ein geschweißter, Solar-Flachkollektor gegen
mechanische Verspannungen und häufige starke Temperaturwechsel
weitgehend resistent ist.
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Ein
nochmals anderer Vorteil der Klebung mit Wärmeleitkleber
gegenüber einer Schweißung besteht darin, dass
durch Anwendung einer großen Menge von Wärmeleitkleber
WK die Wärmeübergangsfläche von der Absorberfläche
A zum Wärmeträgerrohr R nahezu beliebig vergrößert
werden kann, wodurch der Wärmewiderstand von der Absorberfläche
A zum Wärmeträgerrohr R verringert wird. Dies
ist bei einer Schweißung nicht ohne weiters möglich.
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Die
Absorberfläche A ist im vorliegenden Beispiel von 1 durch
eine Metallplatte A gebildet, an deren von der Abdeckung G abgewandten
Seite (d. h. an der Unterseite der Absorberfläche A) das Wärmeträgerrohr
R angeordnet ist.
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Bevorzugt
ist der Wärmeleitkleber WK ein solcher, in welchen in großer
Zahl Partikel, Körner oder Späne aus Metall, insbesondere
Kupfer, eingebettet sind. Durch einen solchen Wärmeleitkleber wird
der Wärmewiderstand von der Absorberfläche A zum
Wärmeträgerrohr R ebenfalls verringert und zugleich
die mechanische Zugfestigkeit der Klebung verbessert.
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Die
Wärmedämmung D verringert Wärmeverluste
des Solar-Flachkollektors K und erhöht somit dessen Wirkungsgrad.
An den Außenseiten der Wärmedämmung D
weist diese zusätzlich eine aufgeklebte Nanogel-Matte N
auf, welche eine sehr große wärmedämmende
Wirkung besitzt und somit die Wärmeverluste weiter verringert.
Die Nanogel-Matte N enthält ein extrem feinkörniges
Nanogel-Granulat, wie es z. B. unter dem Handelsnamen ”Aerogel” im Handel
ist. Grundbestandteil von ”Aerogel” ist amorphe
Kieselsäure (Silica).
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Zwei-Phasen-Thermosiphone
werden, anders als Heatpipes, immer mit solchem Längsgefälle montiert,
dass der Kondensator höher liegt als die Verdampferzone,
da in ihnen ansonsten kein Wärmestrom entsteht. Ein erfindungsgemäßer
Solar-Flachkollektor mit Zwei-Phasen-Thermosiphon muss daher stets
geneigt oder senkrecht aufgestellt bzw. montiert werden. Dies gilt
nicht für einen erfindungsgemäßen Solar-Flachkollektor
mit Heatpipe.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Solar-Flachkollektors FK', in welcher die in 1 dargestellten
Rohre R mit kreisförmigem Querschnitt durch Rohre R' mit
dreieckigem Querschnitt ersetzt sind, wobei die Ecken der Dreiecke
abgerundet sind. Eine Seite der Dreiecke ist jeweils der Absorberfläche
A zugewandt und parallel zu dieser ausgerichtet. Ein Vorteil dieser
Ausführungsform ist der gegenüber dem Solar-Flachkollektor
FK von 1 deutlich geringere Wärmewiderstand
zwischen Rohr R' und Absorberfläche A.
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3 zeigt
eine perspektivische Ansicht auf eine Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Solar-Flachkollektors, wobei
einige Komponenten desselben nur teilweise dargestellt sind, um
den Blick auf darunter liegende Komponenten freizugeben.
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4 zeigt
einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Solar-Flachkollektors FK'',
mit einer Glasplatte G'', einer Absorberplatte A'', und mit einem
dazwischen befindlichen Hohlraum H''. Im vorliegenden Beispiel weist
der Solar-Flachkollektor FK'' elf Wärmerohre R'', also
Heatpipes oder Zwei-Phasen-Thermosiphone, auf, welche alle mittels
Wärmeleitkleber WK an der Unterseite der Absorberplatte
A'' fixiert sind und auf einer Wärmedämmung D''
aufliegen. Diese weist die Form einer rechteckigen Schüssel
auf, in welcher die Absorberplatte A'' und die Wärmerohre
R'' aufgenommen sind.
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5 zeigt
eine Draufsicht auf den Solar-Flachkollektor FK'' von 4,
mit Wärmerohren R'' und Kondensatoren K, welche gestrichelt
dargestellt sind, weil sie von einer Absorberfläche A''
und einem Wärmetauscher WT verdeckt sind. Der Wärmetauscher
WT wird von nicht gezeigtem Nutzwärmewasser durchströmt
und weist einen Zulauf ZL zum Einlass des Nutzwärmewassers
und einen Ablauf AL zum Auslass des Nutzwärmewassers auf. Das
Nutzwärmewasser umströmt beim Durchfließen des
Wärmetauschers die Kondensatoren K, entzieht ihnen Nutzwärme,
welche sie durch Kondensation von dampfförmigem Wärmeträgermedium
V aufgenommen haben, und erwärmt sich dabei. Vom Auslass
AL wird das Nutzwärmewasser zu einem nicht gezeigten Wärme-Verbraucher,
z. B. Heizkörper, oder zu einem Wärmespeicher
gefördert, gibt die im Wärmetauscher WT aufgenommene
Nutzwärme dort wieder ab und wird erneut zum Zulauf ZL gefördert, d.
h. das Nutzwärmewasser befindet sich in einem Kreislauf,
welcher in 5 nicht gezeigt ist.
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6 zeigt
einen Endbereich des Rohres R''' eines Zwei-Phasen-Thermosiphons
R''', K'''', welcher an seinem einen Ende einen Kondensator K'''
aufweist und in dem Solar-Flachkollektor der 4 und 5 zum
Einsatz kommen kann. Der Zwei-Phasen-Thermosiphon R''', K''' ist
gegen die Waagerechte W geneigt oder senkrecht angeordnet; dies
ist eine zwingende Voraussetzung für seine Funktionsfähigkeit.
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7 zeigt
eine gegenüber den 4 und 5 vergrößerte
Querschnitts-Detailansicht durch eines der Rohre R'' des Solar-Flachkollektors
K'' der 4 und 5. Das Rohr
R'' ist Teil eines Wärmerohres und mittels Wärmeleitkleber
WK an der Unterseite der Absorberfläche A'' fixiert, dass
durch den Wärmeleitkleber WK ein möglichst guter
Wärmeübergang von der Absorberfläche
A'' zum Rohr R'' gegeben ist. Um dies zu erreichen, bedeckt der
Wärmeleitkleber WK eine große Fläche
an der Unterseite der Absorberfläche A'' und eine große
Fläche an der Außenseite des Rohres R''.
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8 zeigt
eine Draufsicht auf die Rohre R'' und den Wärmetauscher
WT des Solar-Flachkollektors FK'' der 4 und 5.
Die Kondensatoren K (5) befinden sich im Inneren
des Wärmetauschers WT und sind in 8 nicht
dargestellt.
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Gewerbliche Anwendbarkeit:
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Die
Erfindung ist gewerblich anwendbar insbesondere im Bereich der Technik
der erneuerbaren Energien und in der Haustechnik.
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- A,
A''
- Absorberfläche
- D,
D''
- Wärmedämmung
- G,
G''
- Abdeckung,
Glasplatte
- F
- Wärmeträgerflüssigkeit
- H,
H'
- Hohlraum
- FK,
FK', FK''
- Solar-Flachkollektor
- K
- Kondensator
- N
- Nanogel-Matte
- R,
R' R''
- Wärmeträgerrohr
- S
- Sonnenstrahlung
- V
- Dampf
- W
- Waagerechte
- WK
- Wärmeleitkleber
- WT
- Wärmetauscher
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 202007008053
U1 [0003]
- - DE 102007062264 A1 [0003]
- - DE 20216297 U1 [0004]