DE102011101196B3

DE102011101196B3 - Solarkollektoranordnung

Info

Publication number: DE102011101196B3
Application number: DE102011101196A
Authority: DE
Inventors: Klaus Meeh; Thomas Geffert; Thomas Becker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-05-11
Filing date: 2011-05-11
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2031-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Solarkollektoranordnung, bestehend aus einem selbsttragenden Schaumstoffgrundkörper, welcher einen Absorber-Wärmetauscher aufnimmt, wobei der Schaumstoffgrundkörper an seiner Oberseite einen umlaufenden Vor- oder Rücksprung als Anschlag sowie zum Fixieren einer strahlungsdurchlässigen Abdeckplatte aufweist, sowie weiterhin mit im Schaumstoffgrundkörper vorgesehenen Ausnehmungen oder Durchbrüchen für Anschlusselemente zur Zu- und Abführung eines Wärmetauscherfluids. Erfindungsgemäß weist der Schaumstoffgrundkörper Ausformungen zur Aufnahme eines den Absorber-Wärmetauscher bildenden Rohr-Mäanders auf, wobei mindestens im krümmungsfreien Verlauf des Rohr-Mäanders, jeweils der Längsrichtung des Mäanders folgend, konkave Vertiefungen vorgesehen sind, welche die Basis eines Strahlungsreflektors bilden. Weiterhin sind an der Unterseite des Schaumstoffgrundkörpers Diffusoren ausgebildet, welche bei Windlast eine Sogwirkung in Richtung der Befestigungsfläche der Solarkollektoranordnung bewirken.

Description

Die Erfindung betrifft eine Solarkollektoranordnung, bestehend aus einem selbsttragenden Schaumstoffgrundkörper, welcher einen Absorber-Wärmetauscher aufnimmt, wobei der Schaumstoffgrundkörper an seiner Oberseite einen umlaufenden Rücksprung als Anschlag sowie zum Fixieren einer strahlungsdurchlässigen Abdeckplatte aufweist, sowie weiterhin mit im Schaumstoffgrundkörper vorgesehenen Ausnehmungen oder Durchbrüchen für Anschlusselemente zur Zu- und Abführung eines Wärmetauscherfluids gemäß Patentanspruch 1.
Aus der DE 295 15 953 U1 ist ein Gehäuse für Solarkollektoren vorbekannt, welches aus Gipsschaum, Gasbeton, polymerem Schaumstoff oder Aluminiumschaum gefertigt ist. In das Gehäuse sind die notwendigen Funktions-, Verbindungs- und Handhabungselemente, wie Anschlussdurchführungen, Befestigungsanschlüsse, Griffmulden oder Ösen integriert.
Die Verwendung von Wärmeisolationsplatten, die einstückig aus Kunststoffschaum hergestellt werden für Solarzellen oder Solarkollektoren, ist aus der DE 28 06 586 A1 vorbekannt.
Bei der DE 10 2006 006 718 A1 wird von einem Solarkollektor ausgegangen, wobei der dortige Kollektorrahmen aus in Form gebrachten oder geschäumten Isolierplatten besteht.
Die DE 10 2008 035 054 A1 beschreibt einen Solarkollektor und ein Herstellungsverfahren hierfür, wobei das Solarkollektorgehäuse und zumindest ein Teil des Absorbers durch Umformen und/oder Urformen als integrales Bauteil hergestellt werden. Das Umformen ist mit einem Schaumverfahren kombiniert, insbesondere einem Sprayverfahren zum Herstellen von lang- oder endlosfaserverstärkten Sandwichbauteilen nach Art eines Composite-Spray-Molding-Verfahrens.
Bei dem Solarabsorbermodul mit Wärmetauscher nach DE 10 2008 052 010 A1 oder DE 10 2008 005 856 B4 werden Vertiefungen zur Bildung von Kanälen erzeugt, wobei die Gehäuseplatten mittels eines gespritzten oder geschäumten Rahmens dauerhaft untereinander verbunden sind.
Die gattungsbildende DD 132 081 zeigt einen vereinfachten Aufbau einer im Wesentlichen aus einem kastenartigen Gehäuse, einem Wärmetauscher und einer Glasabdeckung bestehenden Einrichtung zur Nutzung von Sonnenenergie. Gemäß der dortigen Aufgabe wird die Anzahl der Bauteile sowie der erforderliche Material- und Herstellungsaufwand gesenkt und gleichzeitig der Gebrauchswert erhöht. Nach der dortigen Lehre wird ein Grundkörper aus Polyurethanschaum hergestellt, wobei Überdeckungs-, Abdichtungs- und Befestigungselemente bereits beim Verschäumungsprozess eingearbeitet worden sind. Weiterhin ist vorgesehen, dass der Grundkörper aus einem PUR-Schaumstoff hoher mechanischer Festigkeit besteht, wobei zusätzlich zwischen Wärmetauscher und Grundkörper eine PUR-Schaumstoffschicht als Wärmeisolierschicht eingepresst ist. Nachteilig bei der vorbekannten Losung eines Solarkollektors ist die Notwendigkeit des Einpressens einer speziellen PUR-Schaumstoffschicht mit höherer Wärmebeständigkeit und besseren Wärmedämmeigenschaften. Damit wird der derart gefertigte Solarkollektor großvolumiger und es steigen die Fertigungskosten.
Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Solarkollektoranordnung anzugeben, bestehend aus einem selbsttragenden Schaumstoffgrundkörper, welcher einen Absorber-Wärmetauscher aufnimmt. Die anzugebende Solarkollektoranordnung soll in einfacher, automatisierbarer Herstellungstechnologie gefertigt werden können, wobei es ergänzend gilt, die Bauhöhe zu minimieren, um sowohl Aufdach- als auch Indach-Konstruktionen zu ermöglichen. Letztendlich soll mit der neuartigen Solarkollektoranordnung der Wirkungsgrad erhöht werden, um auch unter ungünstigeren Einfallbedingungen solarer Energie eine für den Betrieb einer Energiegewinnungsanlage notwendige positive energetische Bilanz zu sichern.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Solarkollektoranordnung gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen beinhalten.
Es wird demnach von einer Solarkollektoranordnung ausgegangen, bestehend aus einem selbsttragenden Schaumstoffgrundkörper, welcher einen Absorber-Wärmetauscher aufnimmt. Der Schaumstoffgrundkörper weist an seiner Oberseite einen umlaufenden Vor- oder Rücksprung als Anschlag sowie zum Fixieren einer strahlungsdurchlässigen Abdeckplatte, z. B. einer schlagfesten Kunststoff- oder einer Sicherheitsglasplatte auf. Weiterhin sind im Schaumstoffgrundkörper Ausnehmungen oder Durchbrüche für Anschlusselemente zur Zu- und Abführung eines Wärmetauscherfluids vorhanden.
Erfindungsgemäß weist der Schaumstoffgrundkörper Ausformungen zur Aufnahme eines den Absorber-Wärmetauscher bildenden Rohr-Mäanders auf, wobei mindestens im krümmungsfreien Verlauf des Rohr-Mäanders, jeweils der Längsrichtung des Mäanders folgend, konkave Vertiefungen vorgesehen sind, welche die Basis eines Strahlungsreflektors bilden.
Erfindungsgemäß sind darüber hinaus an der Unterseite des Schaumstoffgrundkörpers ausgebildete Diffusoren, welche bei Windlast eine Sogwirkung in Richtung der Befestigungsfläche, z. B. in Richtung einer Dachfläche, welche die Solarkollektoranordnung trägt, bewirken.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Rohr-Mäander im Brennpunkt der konkaven Vertiefungen angeordnet.
Ergänzend weist die Oberfläche der konkaven Vertiefungen eine strahlungsreflektierende Beschichtung auf. Alternativ besteht ebenso die Möglichkeit, dass die Oberfläche der konkaven Vertiefungen selbst strahlungsreflektierende Eigenschaften besitzt.
Die Ausformungen zur Aufnahme des Rohr-Mäanders besitzen mindestens abschnittsweise Hinterschnitte, um den Rohr-Mäander am Schaumstoffgrundkörper zu fixieren. Hierbei wird der Rohr-Mäander in die vorhandenen Hinterschnitte eingedrückt, so dass sich ein zum Fixieren ausreichender Form- und Kraftschluss ergibt. Auf zusätzliche Befestigungsmittel kann verzichtet werden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird der Schaumstoffgrundkörper von einer oben offenen kastenförmigen Unterschale aufgenommen, wobei in diesem Fall die Unterschale Diffusoren zur Sogwirkungserzeugung besitzt. Am Schaumstoffgrundkörper bereits vorhandene Diffusoren dienen in diesem Fall als stabilitätserhöhende Versteifungen der Gesamtanordnung.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann die strahlungsdurchlässige Abdeckplatte eine elektrochrome Beschichtung aufweisen oder selbst aus einem elektrochromen Material bestehen, um eine gezielte Reduzierung der auf den Absorber-Wärmetauscher einfallenden Strahlungsenergie zu realisieren.
Je nach solarer Einstrahlung und Energieverbrauch kann durch ein gezieltes quasi Verdunkeln der Abdeckplatte eine Überhitzung einer thermischen Solaranlage vermieden werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht der Absorber-Wärmetauscher und insbesondere der Rohr-Mäander aus einem transparenten Material. In diesem Fall weist das Wärmetauscherfluid eine strahlungsabsorbierende Einfärbung auf.
Erfindungsgemäß weist der Schaumstoffgrundkörper bereits optimierte wärmeisolierende Eigenschaften auf, so dass auf eine zusätzliche Wärmedämmplatte, die ansonsten in den Kollektor zu integrieren wäre, verzichtet werden kann.
Die zur Befestigung der Solarkollektoranordnung notwendigen Elemente können bereits beim Farmen des Schaumstoffgrundkörpers integriert werden.
Der konkave Verlauf der erwähnten Vertiefungen ist bei einer bevorzugten Ausführungsform als Parabol-Reflektorgeometrie ausgeführt.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
1 eine Darstellung des Schaumstoffgrundkörpers für die Solarkollektoranordnung mit erkennbaren parabolartigen Reflektorausnehmungen sowie Ausformungen zur Aufnahme eines Absorber-Wärmetauschers und an der Unterseite des Schaumstoffgrundkörpers befindliche Diffusoren;
2 eine perspektivische Darstellung eines Schaumstoffgrundkörpers in besonders flacher Bauform, kombinierbar mit einer kastenförmigen Unterschale, und
3 eine perspektivische Gesamtdarstellung sowie eine Detaildarstellung des im Schaumstoffgrundkörpers fixierten Rohr-Mäanders, welcher den Absorber-Wärmetauscher bildet.
Der in 1 gezeigte erfindungsgemäße Solarkollektor besteht aus einem selbsttragenden Schaumstoffgrundkörper 1, welcher in seinem Innenvolumen mindestens einen Absorber-Wärmetauscher, bevorzugt ausgebildet als Rohr-Mäander (siehe 3), aufnimmt. An seiner Oberseite weist der Schaumstoffgrundkörper 1 einen umlaufenden Rücksprung 2 als Anschlag sowie zum Fixieren einer strahlungsdurchlässigen Abdeckplatte (nicht gezeigt) auf. Darüber hinaus sind im Schaumstoffgrundkörper Ausnehmungen oder Durchbrüche für Anschlusselemente zur Zu- und Abführung eines Wärmetauscherfluids (nicht gezeigt) vorhanden.
Zur Aufnahme des Rohr-Mäanders sind im Schaumstoffgrundkörper 1 Ausformungen 3 vorhanden.
Mindestens im krümmungsfreien Verlauf der Ausnehmungen 3, jeweils in Längsrichtung des Mäanderverlaufs, sind diesem Verlauf folgend konkave Vertiefungen 4 vorgesehen, welche die Basis eines Strahlungsreflektors bilden.
In den gezeigten Figuren ist eine Vielzahl von parallel angeordneten konkaven Vertiefungen vorgesehen.
Die konkaven Vertiefungen 4 bilden einen Parabolreflektor für den Rohr-Mäander (siehe 3).
An der Unterseite des Schaumstoffgrundkörpers 1 sind Versteifungen 5 und Diffusoren 6 ausgebildet. Die Diffusoren bewirken bei Windlast eine Sogwirkung in Richtung der Befestigungsfläche der Solarkollektoranordnung. Erfindungsgemäß können die Versteifungen 5 Teile der Diffusoren sein oder umgekehrt.
Die Oberfläche der konkaven Vertiefungen 4 ist entweder mit einer strahlungsreflektierenden Beschichtung versehen oder es weist die Oberfläche selbst strahlungsreflektierende Eigenschaften auf.
Die Ausformungen 3 zur Aufnahme des Rohr-Mäanders besitzen mindestens abschnittsweise Hinterschnitte, um den Rohr-Mäander am Schaumstoffgrundkörper ohne zusätzliche Befestigungsmittel zu fixieren.
Der Schaumstoffgrundkörper 1 kann von einer kastenförmigen Unterschale 7 aufgenommen werden, wobei in diesem Fall die Unterschale Versteifungen 5 und/oder Diffusoren 6 besitzt.
Es liegt im Sinne der Erfindung, dass der Schaumstoffgrundkörper aus solchen Schaumstoffmaterialien besteht, die optimale wärmeisolierende Eigenschaften besitzen.
Die 3 zeigt in perspektivischer Draufsicht den Schaumstoffgrundkörper 1 mit eingebrachtem Rohr-Mäander 8, wobei die Befestigung des Rohr-Mäanders 8 in den entsprechenden Ausformungen in der rechtsseitigen Detaildarstellung gut zu erkennen ist.
Aufgrund des Schaumstoff-Formgebungsverfahrens des Grundkörpers und Kollektorträgers kann die beschriebene fokussierende Einrichtung in Form der bevorzugten parabolischen Geometrie direkt im Herstellungsprozess eingebracht werden. Als reflektierende Beschichtung kann eine Folie oder aber auch eine metallische Beschichtung vorgesehen werden. Auch besteht die Möglichkeit, einen metallischen Einlagekörper zu nutzen. Selbstverständlich kann anstelle des Rohr-Mäanders auch ein Flächenabsorber bei der erfindungsgemäßen Konstruktion genutzt werden.
Die zweischalige Ausführung gemäß 2 zieht eine Verbindungstechnologie nach sich, wobei selbstverständlich eine Nachreaktion des Dämmschaums in den Schalen erfolgen kann, so dass sich hierdurch keine wesentliche Vergrößerung des Fertigungszeitaufwands einstellt.
Die erfindungsgemäße Solarkollektoranordnung ist weitgehend automatisiert fertigbar, so dass eine Großserienherstellung erfolgen kann. Der Grundkörper übernimmt die Funktion der Wärmeisolierungsatmosphäre sowie die Aufnahme der notwendigen Anbauteile. Durch den Einsatz der vollflächigen Schäumung treten nur geringe Wärmeverluste auf, da auf ansonsten notwendige Verbindungsstellen verzichtet werden kann. Ebenso ist es nicht notwendig, unterschiedliche Materialien mit differierenden Wärmeleitfähigkeiten einzusetzen.
Selbstverständlich kann im Bereich des Anschlags zum Fixieren der strahlungsdurchlässigen Abdeckplatte noch eine umlaufende Nut zur Aufnahme eines Dichtmittels vorgesehen sein. Aufgrund der unterschiedlichen in der Praxis vorzufindenden Dachkonstruktionen und Dacheindeckungen liegen Solarmodule nur in den seltensten Fällen vollständig und eben auf Dachflächen auf. Durch den sich hierbei ergebenden Spalt zwischen Dach und Kollektorboden ergibt sich eine Windlastfläche, die zu erheblichen Belastungen bezüglich der Solarkollektor-Befestigungselemente führt.
Durch die Anordnung der Diffusoren am bzw. im Trägerboden des Grundkörpers besteht die Möglichkeit, dass sich bei entsprechender Windlast ein Unterdruck zwischen Dach und Kollektor bildet, so dass die nachteilige Belastung der Befestigungselemente gemäß dem bisherigen Stand der Technik entfällt.

Claims

Solarkollektoranordnung, bestehend aus einem selbsttragenden Schaumstoffgrundkörper, welcher einen Absorber-Wärmetauscher aufnimmt, wobei der Schaumstoffgrundkörper an seiner Oberseite einen umlaufenden Vor- oder Rücksprung als Anschlag sowie zum Fixieren einer strahlungsdurchlässigen Abdeckplatte aufweist, sowie weiterhin mit im Schaumstoffgrundkörper vorgesehenen Ausnehmungen oder Durchbrüchen für Anschlusselemente zur Zu- und Abführung eines Wärmetauscherfluids, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumstoffgrundkörper Ausformungen zur Aufnahme eines den Absorber-Wärmetauscher bildenden Rohr-Mäanders aufweist, wobei mindestens im krümmungsfreien Verlauf des Rohr-Mäanders, jeweils der Längsrichtung des Mäanders folgend, konkave Vertiefungen vorgesehen sind, welche die Basis eines Strahlungsreflektors bilden, sowie an der Unterseite des Schaumstoffgrundkörpers ausgebildete Diffusoren, welche bei Windlast eine Sogwirkung in Richtung der Befestigungsfläche der Solarkollektoranordnung bewirken.
Solarkollektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohr-Mäander im Brennpunkt der konkaven Vertiefungen angeordnet ist.
Solarkollektoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der konkaven Vertiefungen mit einer strahlungsreflektierenden Beschichtung versehen ist oder selbst strahlungsreflektierende Eigenschaften aufweist.
Solarkollektoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformungen zur Aufnahme des Rohr-Mäanders mindestens abschnittsweise Hinterschnitte besitzen, um den Rohr-Mäander am Schaumstoffgrundkörper zu fixieren.
Solarkollektoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumstoffgrundkörper von einer kastenförmigen Unterschale aufgenommen wird, wobei die Unterschale Diffusoren zur Sogwirkungserzeugung besitzt.
Solarkollektoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsdurchlässige Abdeckplatte eine elektrochrome Beschichtung aufweist, um eine gezielte Reduzierung der auf den Absorber-Wärmetauscher einfallenden Strahlungsenergie zu realisieren.
Solarkollektoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber-Wärmetauscher aus einem transparenten Material besteht und das Wärmetauscherfluid eine strahlungsabsorbierende Einfärbung aufweist.
Solarkollektoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumstoffgrundkörper optimierte wärmeisolierende Eigenschaften besitzt.
Solarkollektoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumstoffgrundkörper integrierte Befestigungselemente aufweist.
Solarkollektoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konkaven Vertiefungen eine Parabol-Reflektorgeometrie besitzen.