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Die Erfindung betrifft ein Solarkollektorsystem zur Nutzung der Sonnenenergie, das eine Oberseite, die für die IR-Strahlung der Sonne durchlässig ist und die den Solarkollektor nach außen abdichtet und isoliert, und mindestens je einen Kanal besitzt, in dem durch die Sonnenstrahlung jeweils ein Gas und jeweils eine Flüssigkeit erwärmt werden kann.
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Um Solarenergie beispielsweise für Wohngebäude oder auch für industrielle Anlagen nutzbar zu machen, ist es Stand der Technik, plattenförmige Flächenkollektoren einzusetzen, um mittels der Sonnenstrahlung Luft zu erwärmen. Ein derartiges flächiges Solarkollektorsystem, das aus einem Kunststoffhohlkammerprofil besteht, ist beispielweise aus
DE 27 49 490 A1 , aus
DE 103 04 536 B3 und aus
DE 10 2008 013 A1 bekannt. In
DE 20 2007 008 U1 ist eine Luftsonnenkollektoreinheit mit einer transparenten Deckschicht, durch die Sonnenstrahlen hindurchtreten können und die zur Erwärmung von Luft innerhalb der Luftführungseinheit genutzt werden kann, beschrieben. Bei dem Kunststoffprofil, das in den ersten drei Schriften beschrieben wird, handelt es sich um ein relativ kompliziertes Kunststoffhohlprofil, das in einer aufwendigen Zwei-Komponenten-Extrusion hergestellt werden muss, und auf das auch noch auf der Außenseite eine Deckschicht coextrudiert werden muss, die einen teuren UV-Absorber enthält. Dies ist notwendig, um das System langfristig gegenüber der UV-Strahlung der Sonne zu schützen.
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Derartige Platten sind nicht nur wegen des aufwendigen und schwierigen Extrusionsverfahrens, sondern auch wegen der Verwendung von UV-Absorbern sehr teuer. Darüber hinaus sind sie nur geeignet, um mittels der Sonnenstrahlung Luft zu erwärmen. Soll beispielsweise mit Hilfe des Solarkollektors das Warmwasser für ein Wohnhaus erwärmt werden, so muss die Energie der im Solarkollektor erwärmten Luft in einem dem Sonnenkollektor nachgeschalteten zweiten Prozess mit Hilfe eines Gas-Flüssigkeitstauschers oder aber mit Hilfe einer Wärmepumpe an das zu erwärmende Wasser übertragen werden. Auch die Luftsonnenkollektoreinheit nach
DE 20 2007 008 U1 beschränkt sich darauf, die Sonnenstrahlung ausschließlich zur Erwärmung von Luft zu nutzen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde einen Solarkollektor zu realisieren, der sehr kostengünstig hergestellt werden kann, der aber die Sonnenstrahlung nutzt, um neben der Luft auch noch gleichzeitig eine Flüssigkeit zu erwärmen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Solarkollektorsystem zur Nutzung der Sonnenenergie gelöst, das eine Oberseite besitzt, die für die IR-Strahlung der Sonne durchlässig ist und die den Solarkollektor nach außen abdichtet und isoliert, wobei der Solarkollektor mindestens je einen Kanal besitzt, in dem durch die Sonnenstrahlung jeweils ein Gas und jeweils eine Flüssigkeit erwärmt werden. Derartige Solarkollektorsysteme können in einfacher Weise aus Standartkomponenten, die auf dem Markt angeboten werden, aufgebaut werden. Die IR-durchlässige Oberseite kann beispielsweise durch eine Glasplatte, durch eine Kunststofffolie oder aber idealerweise durch ein Hohlkammerprofil aus Kunststoff realisiert werden. Eine Hohlkammerplatte aus Kunststoff besitzt eine gute Isolierwirkung, da die in der Hohlkammerplatte eingeschlossene Luft den Energieaustausch behindert.
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Idealerweise können für die Oberseite handelsübliche Stegdoppelplatten eingesetzt werden, deren Oberflächen mit einer speziellen wasserspreitenden oder schmutzabweisenden Schicht versehen sind. Damit wird eine Verschmutzung der Oberfläche, die die transmittierte Strahlung vermindert, reduziert.
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Für derartige Platten gibt es auch spezielle zugeschnittene Befestigungs- und Verbindungssysteme, die für den Bau des Solarkollektors verwendet werden können.
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Unterhalb dieser oberen Abdeckung befinden sich nun bei dem erfindungsgemäßen Solarkollektorsystem einerseits Strömungskanäle, durch die Luft strömt, andererseits aber auch Strömungskanäle, durch die Wasser strömt. Sowohl die Luftkanäle als auch die Flüssigkeitskanäle besitzen eine schwarze Oberfläche, die IR-Strahlung gut absorbiert. Am einfachsten können derartige Strömungskanäle für eine Flüssigkeit realisiert werden, indem man einen schwarzen biegsamen Kunststoffschlauch als Flüssigkeitskanal verwendet und diesen unterhalb der oberen Abdeckung beispielsweise in Schlangenform verlegt. Damit bilden sich zwischen den gerade geführten Rohrbereichen automatisch Kanäle aus, die als Luftkanäle verwendet werden können.
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Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn zum Bau des Solarkollektorsystems ein speziell dafür ausgelegtes und gefertigtes Hohlkammerprofil mit einer IR-durchlässigen oberen Wand und einer unteren Grundwand, die IR-Strahlen absorbiert, besteht, wobei die Hohlkammerplatte separate Kanäle aufweist, wobei durch einen Kanal ein Gas und durch einen zweiten Kanal eine Flüssigkeit strömt. Idealerweise besitzt das Solarkollektorsystem sogar aus zwei Kanalsysteme, durch die Gase und mindestens ein Kanalsystem, durch das eine Flüssigkeit strömt.
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Der Wirkungsgrad einer solchen Hohlkammerplatte kann noch gesteigert werden, wenn sich unterhalb der transparenten oberen Wand eine zweite transparente Wand befindet, und wenn zwischen den beiden Wänden geschlossene Kammern 4 vorhanden sind, die zur Isolation der Platte dienen. Auch kann es von Vorteil sein, wenn mindestens eine IR-strahlungsabsorbierende Wand mit einem Füllstoff gefüllt ist, der eine hohe spezifische Wärmekapazität besitzt. Für spezielle Anwendungen kann es auch vorteilhaft sein, wenn mindestens eine IR-strahlungsabsorbierende Wand vorhanden ist, die nur einen Teil der IR-Strahlung absorbiert und den Rest der IR-Strahlung durchlässt. Um eine Verminderung des Wirkungsgrades der Solarkollektorplatte auf Grund von Verschmutzung zu minimieren, ist es günstig, wenn sich zusätzlich auf der Außenseite der oberen Wand eine schmutzabweisende Schicht befindet.
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Weiterhin ist es natürlich vorteilhaft, wenn das Profil entweder Nuten und Federn oder aber einen Schnappverschluss oder etwas Ähnliches besitzt, damit man dann sehr flexibel Solarkollektoren mit unterschiedlicher Breite realisieren kann. In diesem Fall müssen natürlich die Wasserkanäle der einzelnen Platten beispielsweise mittels eines Sammelkanals oder mittels einzelner Rohrbögen am Ein- und am Austritt flüssigkeitsdicht verbunden werden. Dies kann vorteilhaft über einen flüssigkeitsdichten Schnappverschluss oder aber durch Schweißen, insbesondere durch Elektromuffenschweißen erfolgen.
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Ausführungsbeispiele
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Die Erfindung wird an Hand der beispielhaften schematischen Zeichnungen erklärt.
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1 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Solarkollektoraufbaus.
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2 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer einstückigen Solarkollektorplatte.
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Der in 1 beispielhaft dargestellte Solarkollektor besitzt eine obere Abdeckplatte. Dies kann eine einfache Platte aus Glas oder auch aus Kunststoff oder etwas Ähnlichem sein. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Abdeckplatte eine gute thermische Isolationswirkung besitzt. Bei dem in 1 dargestellten Kollektoraufbau handelt es sich bei der oberen Abdeckplatte um eine Hohlkammerplatte 1 aus einem transparenten Kunststoff, der für IR-Strahlen durchlässig ist. Die Hohlkammerplatte 1 besitzt eine obere Wand 2 und eine untere Wand 3, die durch Stege 5 beabstandet sind. Zwischen den Stegen 5 und den Wänden 2 und 3 befinden sich Luftkammern 4, die für eine gute thermische Isolation des Kollektors gegenüber der Umgebung sorgen.
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Unterhalb der Hohlkammerplatte 1 sind nun parallel verlaufende Rohre 7 angeordnet, die aus einem Material bestehen, das IR-Strahlung absorbiert. Die Rohre 7 können beispielsweise auf der Grundplatte 9 befestigt sein. Dabei kann es je nach Verwendung des Solarkollektors sinnvoll sein, nur ein einziges Rohr zu verwenden und es schlangenförmig zu verlegen, so dass die geraden Rohrbereiche parallel unterhalb der Hohlkammerplatte 1 verlaufen. Es kann aber auch sinnvoll sein, einzelne Rohre 7 am Anfang und am Ende des Solarkollektors mit einem oder auch mit mehreren Sammelkanälen zu verbinden.
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Durch die Außenseiten der Rohre 7, die Unterseite der Hohlkammerplatte 1 und die Oberseite der Grundplatte 9 werden nun parallel verlaufende Kanäle 6 gebildet. Diese Kanäle 6 können genutzt werden, um darin einen Gasstrom zu erwärmen. Je nach Anwendung des Solarkollektors kann die Grundplatte 9 aus einem Material bestehen, das einfallende IR-Strahlung vollständig absorbiert. Es kann aber auch sinnvoll sein, dass diese Platte zumindest einen Teil der IR-Strahlung durchlässt. Diese transmittierte IR-Strahlung wird dann von der profilförmig ausgebildeten Speicherplatte 10 absorbiert. Die profilförmige Speicherplatte 10 bildet wiederum mit der Unterseite der Grundplatte 9 Strömungskanäle 11 aus, durch die ein weiterer Gasstrom oder auch ein Flüssigkeitsstrom geleitet werden kann. Idealerweise wird auch diese Speicherplatte 10 gegenüber der Umgebung thermisch isoliert. Dafür bietet sich beispielweise die Verwendung einer Platte 12, die beispielsweise aus einem Isolierschaum besteht, an.
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Besonders kostengünstig kann man, wie in 2 dargestellt, einen Solarkollektor realisieren, wenn man eine einstückige Kollektorplatte 13 aus Kunststoff verwendet, in der bereits alle für den vorgesehenen Energieaustausch notwendigen Strömungskanäle 6, 8 und 14 enthalten sind. 2 zeigt beispielhaft eine Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Kollektorplatte 13, die sowohl Kanäle 6 besitzt, in denen ein Gas erwärmt werden kann, als auch rohrförmige Kanäle 8, in denen eine Flüssigkeit erwärmt werden kann. Der Wirkungsgrad einer erfindungsgemäßen, einstückig extrudierten Kollektorplatte 13 kann weiter gesteigert werden, wenn die Kollektorplatte 13, wie in 2 gezeigt, ein weiteres Kanalsystem 14 besitzt, in dem beispielsweise ein weiterer Gasstrom oder auch ein Flüssigkeitsstrom erwärmt werden kann. Um den Wärmeverlust über die Oberseite zu verringern, ist es vorteilhaft, wenn die Kollektorplatte 13 noch eine dünne Zwischenwand 3 besitzt, durch die der konvektive Wärmeübergang über die obere Wand 2 noch weiter verringert wird. Die zwischen der Wand 2 und der Zwischenwand 3 befindlichen Kammern 4 dienen lediglich zur thermischen Isolation. Um die Reduzierung des Wirkungsgrads der Kollektorplatte 13 in Folge von Verschmutzung zu verringern, ist es vorteilhaft, wenn die Kollektorplatte 13 auf der Oberseite der Wand 2 noch eine schmutzabweisende Schicht enthält.
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Im Inneren der Kollektorplatte 13 befinden sich nun beispielsweise parallel verlaufende Rohre 7, die im Normalfall aus einem Material bestehen, das die IR-Strahlung absorbiert, und durch die eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, geführt werden kann. Hierzu werden die Rohre 7 an beiden Enden mit mindestens je einem Sammelkanal verbunden, über den das Wasser in die Kollektorplatte 13 eingespeist und aus der Kollektorplatte 13 wieder abgeführt wird. Natürlich kann es je nach Anwendung auch vorteilhaft sein, wenn alle Rohre 7 einen eigenen Zulauf besitzen oder, wenn jeweils nur eine bestimmte Anzahl von Rohren 7 zu einem Strömungskanal zusammengefasst sind. In den meisten Fällen ist es vorteilhaft, wenn am Ende der Solarkollektorplatte 13 die Rohrsysteme in einen Sammelkanal einmünden. Die Anschlusskanäle können idealerweise angeschweißt, über flüssigkeitsdichte Schnappverschlusssysteme oder aber mit einer anderen Verbindungstechnik mit den Rohren 7 und der Kollektorplatte 13 verbunden werden. In Ausnahmefällen kann es auch sinnvoll sein, wenn die Rohre 7 aus einem Material bestehen, das für IR-Strahlung durchlässig ist.
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Die Rohre 7 bilden nun in Verbindung mit der Wand 3 und der Trennwand 19 Strömungskanäle 6, durch die ein Gasstrom, idealerweise ein Luftstrom, geleitet werden kann. Auch diese Kanäle 6 können in ähnlicher Weise wie die Rohre 7 am Anfang und am Ende der Kollektorplatte 13 mit unterschiedlichen Kanalsystemen verbunden werden. Je nach Anwendung kann nun die Trennwand 19 aus einem Material bestehen, das IR-Strahlung absorbiert oder aber das einen Teil der IR-Strahlung transmittieren lässt. Der Wirkungsgrad der Kollektorplatte 13 kann weiter gesteigert werden, wenn sich unterhalb der Trennwand 19 noch eine untere Wand 15 befindet, die über einzelne Stege 16 mit der Trennwand 19 verbunden ist. Damit ergeben sich weitere Kanäle 14, durch die wiederum ein Gas- oder aber auch ein Flüssigkeitsstrom geleitet werden kann.
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Je nach Anwendung kann es vorteilhaft sein, wenn die Trennwand 19 und oder die untere Wand 15 mit einem Füllstoff versehen ist, der eine hohe Wärmekapazität besitzt, um Wärmeenergie über längere Zeit speichern zu können. Um mit Hilfe der Kollektorplatte 13 in einfacher Weise Solarkollektoren unterschiedlicher Größe aufbauen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Kollektorplatte 13 an einem Rand ein Nutsystem 17 und am anderen Rand ein Federsystem 18 besitzt. Natürlich können die Rohre 7 und die Wände 2, 19 und 15 aus unterschiedlichen Kunststoffen bestehen und mit unterschiedlichen Füllstoffen gefüllt sein, um den für die jeweilige Funktion optimalen Werkstoff nutzen zu können. Da die Maximaltemperatur, die die Kollektorplatte 13 im jeweiligen Einsatz erreicht, durch Regulierung des durch die Rohre 7 strömenden Flüssigkeitsstromes begrenzt werden kann, können auch kostengünstige Kunststoffe, die keine so hohe Wärmeformbeständigkeit besitzen, zur Herstellung der Kollektorplatte 13 verwendet werden. So kann beispielweise auch für die obere Wand 2 ein Kunststoff verwendet werden, der eine gute Beständigkeit gegenüber UV-Strahlung besitzt. Damit braucht die Oberseite dieser Wand 2 nicht durch eine teure und aufwendig herzustellende Coextrusionsschicht gegen UV-Strahlung geschützt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2749490 A1 [0002]
- DE 10304536 B3 [0002]
- DE 102008013 A1 [0002]
- DE 202007008 U1 [0002, 0003]
