DE102012206951A1

DE102012206951A1 - Sonnenkollektor mit variabler Wärmeabgabe

Info

Publication number: DE102012206951A1
Application number: DE102012206951A
Authority: DE
Inventors: Dirk Müller
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2013-10-31
Also published as: US20130306133A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Sonnenkollektoren (1) mit variabler Wärmeabgabe (WA) und auf ein Verfahren zum Betreiben solcher Sonnenkollektoren (1). Der Sonnenkollektor (1) umfasst ein Gehäuse (2) und einen im Gehäuse (2) angeordneten Absorber (3) zur Abgabe von Wärme an ein das Gehäuse (2) zumindest teilweise durchströmendes Wärmeträgermedium (4), wobei das Gehäuse (2) zumindest eine transparente Abdeckung (21) zum Durchlass der Sonneneinstrahlung (S) auf den Absorber (3) und zur Modifikation der Wärmeabgabe (WA) an die Umgebung umfasst, wobei die Abdeckung (21) so im Gehäuse (2) angeordnet ist, dass zumindest der mittlere Abstand (A) zwischen Abdeckung (21) und Absorber (3) zum Einstellen der Wärmeabgabe (WA) variiert werden kann. Ein Vergrößern (Vg) des mittleren Abstands (A) führt zu einer Verringerung (V – WA) der Wärmeabgabe (WA) an die Umgebung, eine Verkleinern (Vk) des mittleren Abstand (A) führt zu einer Vergrößerung (V + WA) der Wärmeabgabe (WA) an die Umgebung. Die abgegebene Menge an Wärme kann somit nach Bedarf eingestellt werden.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Sonnenkollektoren mit variabler Wärmeabgabe und auf ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Sonnenkollektors.
Stand der Technik
Sonnenkollektoren (auch Solarkollektoren genannt) sind ein inzwischen weit verbreitetes System zur Erwärmung von Trinkwarmwasser und zur Raumheizungsunterstützung. Mit einem thermischen Solarkollektor wird mit der absorbierten Sonnenenergie ein Übertragungsmedium (Heizwasser) aufgeheizt, wobei nahezu das gesamte Strahlungsspektrum des Sonnenlichtes in thermischen Solaranlagen mit relativ hohem Wirkungsgrad ausgenutzt wird. Thermische Sonnenkollektoren erreichen bei der Verwertung der Sonnenstrahlung relativ hohe Wirkungsgrade, typischerweise zwischen 60 % und 75 %. Zentraler Bestandteil des Sonnenkollektors ist der Absorber (Solarabsorber), der Lichtenergie der Sonne in Wärme umwandelt und diese an ein ihn durchfließendes Wärmeträgermedium abgibt. Mithilfe dieses Wärmeträgermediums wird die Wärme aus dem Kollektor abgeführt und anschließend direkt verwendet oder gespeichert. Ein Beispiel für Sonnenkollektoren sind sogenannte Flachkollektoren mit einer entsprechenden äußeren Form. Der Absorber in Flachkollektoren hat die Form einer Platte, um bei möglichst kleinem Volumen der Sonne eine möglichst große Oberfläche zuwenden zu können. Dabei wird das Wärmeträgermedium in gängigen Systemen durch Kupferrohre geführt, auf welche die Kollektorplatte zur optimalen Wärmeübertragung in der Regel angelötet ist. Man unterscheidet bei den Flachkollektoren zwischen abgedeckten und unabgedeckten Sonnenkollektoren.
Unabgedeckte Sonnenkollektoren (meist Kunststoff- oder Metallkollektoren) werden wegen ihres einfachen Aufbaus hauptsächlich für die Erwärmung von Schwimmbadwasser eingesetzt. Bei unabgedeckten Sonnenkollektoren können Luftbewegungen (Wind) direkt an den Absorber angreifen, so dass die Wärmeverluste infolge von Konvektion hoch sein können. Ein unabgedeckter Sonnenkollektor erreicht daher in der Regel keine besonders hohen Temperaturen des Absorbers und des Wärmeträgermediums und kann somit aus kostengünstigen Materialien hergestellt werden. DE 35 41 486 A1 offenbart einen unabgedeckten Sonnenkollektor mit einem Absorber aus thermoplastischem Material, vor dem zur Verringerung der Wärmeverluste eine lichtdurchlässige Abschirmung reversible in einem vordefinierten Abstand montiert werden kann. Wenn ein unabgedeckter Sonnenkollektor beispielsweise nachts vom Wärmeträgermedium durchströmt wird, kann durch Wärmeabgabe an die kältere Umgebung über Konvektion, Strahlung und bei mit Wasser benetzter Kollektorfläche auch durch Verdunstung eine Kühlung des Wärmeträgermediums erreicht werden. Eine solche Kühlfunktion kann für Kühlzwecke genutzt werden.
Will man Wärmeverluste reduzieren, so ist eine gute Wärmedämmung des Absorbers gegenüber der Umgebung notwendig. Hierfür werden in der überwiegenden Mehrzahl Flachkollektoren mit transparenter Glasabdeckung eingesetzt, sogenannte abgedeckte Sonnenkollektoren. Die durch eine Glasplatte einfallenden Sonnenstrahlen treffen auf einen Absorber. Beim Auftreffen der Sonnenstrahlen wird nahezu der gesamte Spektralbereich des Lichtes absorbiert. Zur Verringerung der Wärmeverluste ist der Flachkollektor allseitig wärmegedämmt, wobei die konvektive Wärmeabgabe nach vorn durch die Glasscheibe verringert wird. Für Anwendungen mit höheren Temperaturanforderungen sind auch Sonnenkollektoren mit zweifacher Glasabdeckung oder transparenter Zwischenschicht aus einer Folie unter einer äußeren Glasabdeckung als sogenannte Konvektionsbremse bekannt. Im Sommer kann ein solcher abgedeckter Sonnenkollektor bei fehlender Wärmeabnahme hohe Temperaturen bis über 200° C erreichen. Daher müssen abgedeckte Sonnenkollektoren aus entsprechenden temperaturstabilen Materialien gefertigt werden. Dennoch werden die Bauteile bei fehlender Wärmeabnahme (Stagnation) weiterhin stark beansprucht, weshalb die Stagnation möglichst durch kontinuierliche Wärmeabnahme zu vermeiden ist. Dadurch sind die abgedeckten Sonnenkollektoren aber in ihren Einsatzmöglichkeiten eingeschränkt. DE 20 2005 005 631 U1 offenbart einen abgedeckter Sonnenkollektor, in dem zur Vermeidung einer zu starken Aufheizung des Wärmeträgermediums zusätzlich eine Abschattungseinrichtung mit einer zum Teil abschattenden Folie im Gehäuse des Sonnenkollektors angeordnet ist. Die abschattende Folie wird bei zu hohen Temperaturen im Gehäuse des Sonnenkollektors mittels einer Rollenaufhängung über den Absorber zur Reduzierung der Energieaufnahme bewegt. Diese aufwendige mechanische Aufhängung mit einer entsprechenden Temperatursteuerung macht die Konstruktion des abgedeckten Sonnenkollektors zusätzlich aufwendig und damit in den Herstellungskosten teuer.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfach und kostengünstig zu fertigenden Sonnenkollektor zur Verfügung zu stellen, der zusätzlich variabel für unterschiedlich benötigte Wärmeabnahmen eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sonnenkollektor mit einem Gehäuse und einem im Gehäuse angeordneten Absorber zur Abgabe von Wärme an ein das Gehäuse zumindest teilweise durchströmendes Wärmeträgermedium, wobei das Gehäuse zumindest eine transparente Abdeckung zum Durchlass der Sonneneinstrahlung auf den Absorber und zur Modifikation der Wärmeabgabe an die Umgebung umfasst, wobei die Abdeckung so im Gehäuse angeordnet ist, dass zumindest der mittlere Abstand zwischen Abdeckung und Absorber zum Einstellen der Wärmeabgabe variiert werden kann.
Der erfindungsgemäße Sonnenkollektor weist entsprechend dem eingestellten Abstand zwischen Absorber und Abdeckung je nach eingestelltem Abstand das Verhalten eines abgedeckten oder nicht abgedeckten Sonnenkollektors auf, wodurch der erfindungsgemäße Sonnenkollektor multifunktional eingesetzt werden kann. Bei hoher Sonneneinstrahlung und geringem Bedarf an abzunehmender Wärme kann das Verhalten eines unabgedeckten und damit eines mittels erhöhter Wärmeverluste durch die Abdeckung hindurch kühleren Sonnenkollektors eingestellt werden, indem der Abstand zwischen Absorber und Abdeckung verringert wird. Bei geringerem Abstand werden die Konvektions- und Strahlungsverluste durch die Abdeckung hindurch aufgrund des geringeren wärmeisolierenden Gasvolumens zwischen Absorber und Abdeckung größer. So kann eine starke Erwärmung oder gar Überhitzung des Gehäuses und seiner darin befindlichen Bauteile gezielt vermieden werden. Dadurch können für die Herstellung dieses Sonnenkollektors Materialien verwendet werden, die deutlich weniger hitzebeständig sein müssen als bei abgedeckten Sonnenkollektoren üblich. Im Falle eines hohen Bedarfs an abzunehmender Wärme kann der Abstand zwischen Absorber und Abdeckung vergrößert werden, wodurch die voranstehend genannten Wärmeverluste je nach Abstand deutlich reduziert und damit das Wärmeträgermedium stärker erwärmt werden kann. Der erfindungsgemäße Sonnenkollektor benötigt neben der Abdeckung keine weiteren Komponenten zur Abschattung des Absorbers, so dass zudem die Herstellung des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors einfach gehalten werden kann. Der erfindungsgemäße Sonnenkollektor ist somit einfach und kostengünstig zu fertigen und kann variabel für unterschiedlich benötigte Wärmeabnahmen eingesetzt werden. Mit diesem Sonnenkollektor können beispielsweise die folgenden Betriebsarten über die entsprechende Einstellung des Abstands zwischen Absorber und Abdeckung realisiert werden:

– Bei Wärmebedarf und solarer Einstrahlung ist die Betriebsweise als abgedeckter Sonnenkollektor (großer Abstand) mit reduzierten Wärmeverlusten an die Umgebung vorteilhaft (Heizbetrieb).
– Bei fehlendem Wärmebedarf und hoher solarer Einstrahlung kann hingegen durch Erhöhung der Wärmeverluste an die Umgebung (kleiner Abstand) die Betriebstemperatur des Sonnenkollektors reduziert und eine hohe Stagnationstemperatur, die die Bautiele des Sonnenkollektors stark beanspruchen würde, vermieden werden (Stillstandsbetrieb).
– Bei geringem Strahlungsangebot kann im Betrieb als unabgedeckter Sonnenkollektor (kleiner Abstand) unter Umgebungstemperatur der Umgebungsluft oder dem auf der Kollektorfläche befindlichen Regen, Tau, Reif, Eis oder Schnee Wärme entzogen werden.
– Bei nächtlichem Betrieb als unabgedeckter Sonnenkollektor (kleiner Abstand) kann Wärme vom Wärmeträgermedium an die Umgebungsluft über Konvektion, Strahlung und bei mit Wasser benetzter Abdeckung mittels Verdunstung abgegeben werden und damit das Wärmeträgermedium gekühlt werden (Kühlbetrieb).

Die Einstellung oder Variation des Abstands zwischen Abdeckung und Absorber kann in jeder dafür geeigneten Form vom Fachmann ausgeführt werden, beispielsweise anhand von einer mechanischen oder elektrisch angetriebenen Vorrichtung zur Variation oder Einstellung eines bestimmten Abstands. In einer Ausführungsform umfasst der Sonnenkollektor eine entsprechende Steuereinheit zur Auswahl der Betriebsweise (bespielsweise Heizbetrieb, Stillstandsbetrieb oder Kühlbetrieb) und Einstellung des dafür zweckmäßigen Abstands zwischen Absorber und Abdeckung. Diese Steuereinheit kann mit entsprechenden Sensoren wie einer Photodiode zur Bestimmung der Sonneneinstrahlung, einem oder mehreren Temperaturmessfühlern zur Bestimmung der Temperatur des Wärmeträgermediums und/oder der Tempertur innerhalb und/oder außerhalb des Gehäuses des Sonnenkollektors und/oder einer Uhr zur Bestimmung der Tageszeit ausgerüstet sein. Die Steuereinheit kann innerhalb oder außerhalb des Gehäuses des Sonnenkollektors angeordnet sein, wobei die Steuereinheit mit den Mitteln zur Einstellung des Abstands zwischen Absorber und Abdeckung geeignet zu deren Ansteuerung verbunden ist.
Der Begriff „Gehäuse“ bezeichnet die Komponenten des Sonnenkollektors, die den Absorber und die Leitungen zum Transport des Wärmeträgermediums innerhalb des Sonnenkollektors umschließen. Die Abdeckung ist eine Komponente des Gehäuses. Der Absorber bezeichnet dagegen die Komponente, die die durch die transparente Abdeckung einfallende Sonnenstrahlung zumindest teilweise, vorzugsweise nahezu vollständig, absorbiert. Durch diese Absorption heizt sich der Absorber auf und kann diese Wärme dann auf das Wärmeträgermedium übertragen. Typische Absorber bestehen im Regelfall aus einem oder mehreren Absorberblechen aus Aluminium oder Kupfer. Gegebenenfalls unterstützt durch eine selektive Beschichtung erwärmt sich dieser Absorber im Sonnenlicht. Für eine möglichst gute Absorption und Nutzung der einfallenden Strahlung am Absorber sind selektive Eigenschaften eines möglichst hohen Absorptionsgrads α im kurzwelligen Wellenlängenbereich von 200–800 nm und eines möglichst niedrigen Emissionsgrads ε im langwelligen Wellenlängenbereich > 1µm wünschenswert.
Damit eine Wärmeleitung vom Absorber zum Wärmeträgermedium stattfinden kann, ist der Absorber beispielsweise fest mit den das Wärmeträgermedium leitenden Kupfer- oder Aluminiumrohren (Leitungen des Wärmeträgermediums) verbunden. Diese Leitungen transportieren die an das Wärmeträgermedium übertragene Wärmeleistung über das Wärmeträgermedium dann vom Sonnenkollektor weg zu einem Verbraucher oder einem Wärmespeicher. In anderen Ausführungsformen besitzt der Solarkollektor einen offenen Kreislauf des Wärmeträgermediums, wobei der Absorber direkt von dem zu erwärmenden Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser, durchströmt wird. In Regionen mit größerer Frostgefahr werden jedoch in der Regel getrennte Kreisläufe zum Transport des Wärmeträgermediums verwendet. Dem in dem in sich geschlossenen Kreislauf, auch als Primärkreislauf bezeichnet, zirkulierenden Wärmeträgermedium kann ein Stoff beigemengt werden, der den Gefrierpunkt herabsetzt – beispielsweise ein Propylenglykol. Die möglichen Ausführungsformen für die Zu- und Ableitung des Wärmeträgermediums in den Sonnenkollektor hinein und danach aus dem Sonnenkollektor wieder hinaus können vom Fachmann geeignet gewählt werden. In jedem Fall muss für eine gute Wärmeübertragung vom Absorber auf das Wärmeträgermedium, das den Sonnenkollektor zumindest teilweise durchströmt, gesorgt werden, wobei hier das Wärmeträgermedium in Leitungen im Absorber oder am Absorber mit einem wärmeleitenden Kontakt zum Absorber entlang geführt werden kann oder den Absorber direkt durchströmt oder an ihm entlangströmt. Als Wärmeträgermedien können Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser oder Gase, beispielsweise Luft, verwendet werden.
Die transparente Abdeckung bezeichnet hier die Seite des Sonnenkollektors, durch die die Sonnenstrahlung hindurchtritt, um auf den Absorber zur dortigen Absorption zu treffen. Diese Seite ist die der Sonne zugewandte Seite und wird im Folgenden auch als Oberseite oder Vorderseite bezeichnet. Diese Oberseite ist dabei in einem Winkel zur Sonnenstrahlung angeordnet, der eine möglichst große Sonneneinstrahlung auf den Absorber ermöglicht. Im Idealfall fällt die Sonnenstrahlung dabei senkrecht auf die Abdeckung. Die Abdeckung muss somit zumindest teilweise für das Sonnenlicht transparent sein. Vorzugsweise besitzt die Abdeckung einen hoher Transmissionsgrad möglichst über einen weiten Wellenlängenbereich des Sonnenspektrums. Besonders geeignet sind Abdeckungen mit einem Transmissionsgrad τ ≥ 0,9, insbesondere wenn diese hohe Transmission im kurzwelligen Wellenlängenbereich von 200–800nm liegt. Für einen Betrieb des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors zur Kühlanwendung sollte die Abdeckung einen hohen Emissionsgrad ε im langwelligen Wellenlängenbereich, insbesondere im Wellenlängenbereich des atmosphärischen Fensters von 8–13µm aufweisen. Als atmosphärisches Fenster wird hier das Wellenlängenintervall bezeichnet, für welches die Atmosphäre der Erde weitgehend durchlässig (transparent) ist.
Der Begriff „Wärmeabgabe an die Umgebung“ bezeichnet hier die Wärmeverluste des Sonnenkollektors. Die Abgabe von Wärme an das Wärmeträgermedium wird vom Begriff „Wärmeabgabe an die Umgebung“ nicht umfasst, da dieser Wärmeübertrag gewünscht ist und insofern keinen Verlust darstellt. Die Wärmeabgabe an die Umgebung bezeichnet hier die Wärmeverluste aus dem Gehäuse des Sonnenkollektors heraus, wobei die Verluste zur Rückseite, zur Vorderseite oder zu den seitlichen Flächen hin entstehen können. Die Umgebung bezeichnet somit die Umwelt außerhalb des Sonnenkollektors, allerdings nicht das Wärmeträgermedium und dessen Führung in Rohren außerhalb des Sonnenkollektors.
Der Abstand zwischen Absorber und Abdeckung kann je nach geometrischer Form des Absorbers und/oder der Abdeckung selbst bei einer festen Stellung von Abdeckung und Absorber lokal variieren. Der mittlere Abstand bezeichnet hier den durchschnittlichen Abstand der Innenseite der Abdeckung zu der der Abdeckung zugewandten Oberfläche des Absorbers.
Der erfindungsgemäße Sonnenkollektor kann jede geeignete äußere Form besitzen. Ist der Sonnenkollektor beispielsweise als Flachkollektor ausgeführt, so umfasst der Sonnenkollektor einen Absorber in Form einer Platte, um bei möglichst kleinem Volumen der Sonne eine möglichst große Oberfläche zuwenden zu können. Entsprechend ist auch die Abdeckung als Fläche parallel zum Absorber ausgebildet. In anderen Ausführungsformen kann der Sonnenkollektor beispielsweise als sogenannter Röhrenkollektor ausgeführt sein, wobei als Absorber Rohre verwendet werden, bei denen das von dem Wärmeträgermedium durchströmte Rohr selbst als Absorber dient. Die Abdeckung kann hier als eine gekrümmte oder plane Fläche oberhalb des Absorbers ausgeführt sein. Weitere vom Fachmann ausgewählte alternative Formen des Sonnenkollektors sind ebenfalls von Schutzumfang dieser Erfindung mit umfasst.
In einer Ausführungsform umfasst die Abdeckung mindestens eine Kunststofffolie oder Kunststoffplatte oder mindestens eine Glasplatte. Dabei kann die Abdeckung vollständig aus den vorstehend genannten Materialien gefertigt sein, oder die Materialien sind als transparenter Teil der Abdeckung in einem geeigneten Rahmen als weitere Komponente der Abdeckung gehaltert, der dann in geeigneter Weise mit dem weiteren Gehäuse verbunden ist. Glasplatten besitzen eine sehr hohe Transmission für Strahlung mit Wellenlängen im Bereich des Sonnenspektrums, beispielsweise τ ≈ 0,9 für Extraweißglas oder τ ≈ 0,95 für antireflexionsbeschichtetes Extraweißglas. Parallel dazu besitzen Glasplatten einen hohen Emissionsgrad ε im langwelligen Wellenlängenbereich von ungefähr 0,9. Das gleiche gilt auch für Abdeckungen aus Kunststoffplatten oder Kunststofffolien. Bevorzugt bestehen die Kunststoffplatten oder Kunststofffolien dabei aus Fluorpolymeren. Bevorzugt werden im erfindungsgemäßen Sonnenkollektor als Abdeckungen aus Fluorpolymeren ETFE- oder FEP-Folien verwendet. Perfluorethylenpropylen-Copolymer (FEP) ist ein fluoriertes Copolymer aus verschiedenen fluorierten Monomeren und gegebenenfalls Ethylen oder Propylen. Je höher dabei der Fluoranteil ist, umso besser ist die Temperaturbeständigkeit. Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE) ist ebenfalls ein fluoriertes Copolymer, bestehend aus den Monomeren Tetrafluorethylen und Ethylen. Eine solche Folie besitzt einen kurzwelligen Transmissionsgrad von τ ≈ 0,95, wobei im Vergleich zu Glas auch Teile des UV-Spektrums transmittiert werden, was die für den Absorber aus dem Sonnenlicht zur Verfügung gestellte Energiemenge erhöht. Der langwellige Emissionsgrad der Folie liegt im Bereich ε ≈ 0,65, was immer noch hinreichend groß für einen möglichen Betrieb des Sonnenkollektors im Kühlungsmodus ist. Folien dieses Kunststoffes weisen ein geringes Eigengewicht auf und sind beispielsweise mit Dicken von 50–250 µm herstellbar. Weiterhin ist eine solche Folie bis mehr als 200° C temperaturbeständig, schwer entflammbar, selbstreinigend, witterungs-Chemikalien- und UV-beständig. Außerdem weist sie eine hohe Reiß-, Weiterreiß- und Durchstoßfestigkeit auf. Der Einsatz von Folien und Kunststoffen in Sonnenkollektoren, insbesondere als Abdeckungen, ermöglicht leichtere Sonnenkollektorkonstruktionen mit reduzierten Kosten.
In einer Ausführungsform umfasst der Sonnenkollektor des Weiteren eine Einstellkomponente zur Variation des Abstandes zwischen Absorber und Abdeckung. Die Einstellkomponente ist dabei mit der Abdeckung in geeigneter Weise mechanisch und/oder elektrisch verbunden, um eine Veränderung des Abstands zwischen Abdeckung und Absorber durchführen zu können. Beispielsweise ist die Abdeckung in Schienen, die vertikal zur Oberfläche der Abdeckung angeordnet sind, geführt und kann über eine mechanische Kopplung zu einem Motor entlang der Schienen verschoben werden, was zu einer Vergrößerung oder Verkleinerung des Abstands zum Absorber führt. Die Einstellkomponente ist hier beispielsweise der Motor oder die Motorsteuerung. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Sonnenkollektor des Weiteren ein Photovoltaikelement, das mindestens dazu ausgestaltet ist, die Einstellkomponente mit Strom zu versorgen. In diesem Fall ist der Sonnenkollektor als Hybrid-Sonnenkollektor ausgeführt, der die eingestrahlte Sonnenenergie sowohl thermisch als auch elektrisch nutzt. Das Photovoltaikelement kann dabei vom Fachmann an jeder geeigneten Stelle im Sonnenkollektor angeordnet sein. Das Photovoltaikelement ist dabei mindestens so ausgelegt, dass die aus der Sonnenenergie erzeugte elektrische Energie zum Verfahren der Abdeckung ausreicht. Gegebenenfalls umfasst das Photovoltaikelement einen Speicher für die elektrische Energie, beispielsweise eine Batterie, damit auch im Nachtbetrieb der Abstand der Abdeckung zum Absorber variiert werden kann. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Absorber das Photovoltaikelement und eine rückseitige Vorrichtung zur Wärmeabfuhr an das Wärmeträgermedium, vorzugsweise ist dabei der Absorber vollständig als Photovoltaikelement mit rückseitiger Vorrichtung zur Wärmedämmung ausgeführt. In dieser Ausführungsform ist der Absorber selber als Hybridabsorber ausgebildet, also die gesamte Absorberfläche als Photovoltaikelement mit rückseitiger Vorrichtung zur Wärmeabfuhr ausgestaltet (auch als PV/T-Kollektor bezeichnet). Dadurch werden eventuell für die Anordnung der Vorrichtung zur Abstandsvariation der Abdeckung einschränkende räumliche Gegebenheiten im Gehäuse des Sonnenkollektors vermieden.
In einer Ausführungsform umfasst die Einstellkomponente einen mechanischen Antrieb, wobei die Abdeckung so am Gehäuse relativ zum Absorber verschiebbar gelagert und der mechanische Antrieb und die Lagerung der Abdeckung so ausgestaltet sind, dass der Abstand zwischen Absorber und Abdeckung mittels des mechanischen Antriebs variiert werden kann. Beispielsweise wird die Abdeckung an Schienen an der Innenseite des Gehäuses geführt und ist über einen oder mehrere Seilzüge oder eine oder mehrere Ketten, die über eine oder mehrere Umlenkungen den mechanischen Antrieb und die Abdeckung verbinden, mit dem mechanischen Antrieb verbunden. Mittels eines mechanischen Zugs an den Seilen oder Ketten kann dann die Abdeckung nach oben entlang der Schienen gefahren werden, was den Abstand zwischen Abdeckung und Absorber vergrößert. Im umgekehrten Betrieb des Motors kann der Abstand entsprechend verringert werden oder die Abdeckung in einen Kontakt zum Absorber gebracht werden. Alternativ dazu kann die Abdeckung auch in einem Rahmen gehaltert sein, der entlang des ihn umgebenden Gehäuses bewegt werden kann. Dieser Rahmen kann beispielsweise auch auf einer teleskopierbaren Halterung, beispielsweise teleskopierbare Füße oder Säule, auf der Innenseite der Rückwand des Sonnenkollektors gelagert sein. Über den mechanischen Abtrieb wird die Länge der teleskopierbaren Halterung verändert, was den Abstand des Rahmens zur Rückwand und damit den Abstand der Abdeckung relativ zum Absorber verändert. Der Fachmann kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch alternative Lösungen für die Bewegung der Abdeckung relativ zum Absorber anwenden. Diese Ausführungsformen lassen sich für flexible und starre Abdeckungen verwenden. Eine Abstandsverstellung bzw. Abstandseinstellung lässt sich mittels einer geführten Lagerung der Abdeckung sehr präzise und reproduzierbar erreichen. Für eine exakte Steuerung der Wärmeabgabe mittels des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors ist die Anwendung dieser Form der Abstandsänderung sehr geeignet.
In einer weiteren Ausfürungsform umfasst die Abdeckung neben mindestens einer Kunststofffolie eine nachstellende Vorrichtung, geeignet zur Aufnahme thermischer Materialausdehnungen, in der die Kunststofffolie befestigt ist. Damit wird auch bei der Verwendung dünner Folien als Abdeckungen erreicht, dass der mittels der Einstellkomponente eingestellte Abstand zwischen Absorber und Abdeckung auch bei Temperaturänderungen (innere oder äußere) konstant gehalten wird. Damit kann eine exakte Steuerung der Wärmeabgabe unter Anwendung der obigen Form der Abstandsänderung auch für Folien als transparente Abdeckung erreicht werden.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Abdeckung eine im Wesentlichen luftdicht mit dem Gehäuse verbundene, vorzugsweise mechanisch flexible, Abdeckung. Das Gehäuse ist zumindest zwischen Abdeckung und Absorber gasgefüllt, und die Einstellkomponente umfasst eine Vorrichtung zum variablen Einstellen des Gasdrucks im Gehäuse. Der Begriff „im Wesentlichen“ bezeichnet eine Leckrate, die so gering ist, dass sich der eingestellte Druck im Gehäuse ohne spätere Gaszufuhr längere Zeit (eine oder mehrere Stunden) für einen außenstehenden Betrachter nicht merklich verändert. Im Falle einer mechanisch beweglich gelagerten Abdeckung, beispielsweise geführt an vertikalen Schienen, kann eine Abstandsänderung auch bei starren Abdeckungen mittels Änderung des Gasdrucks vorgenommen werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Abstand vergrößert, indem ein erhöhter Gasdruck eine starre Abdeckung nach oben (weg vom Absober) drückt. Umgekehrt kann dieselbe Abdeckung bei Verminderung des Gasdrucks aufgrund ihrer Schwerkaft oder aufgrund des äußeren Luftdrucks wieder entlang der Schienen in Richtung des Absorbers gleiten. Allerdings muss die mechanisch bewegliche Lagerung der Abdeckung gasdicht ausgeführt sein, anderernfalls würde ein Druckaufbau innerhalb des Sonnenkollektors nicht möglich sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die luftdicht mit dem Gehäuse verbundene Abdeckung mechanisch flexibel. Dadurch können mechanische Konstruktionen wie voranstehend beschrieben vermieden werden. Ein erhöhter Gasdruck im Gehäuse wölbt eine luftundurchlässige, aber flexible Abdeckung nach oben (vom Absorber weg). An den mechanisch fixierten Rändern der Abdeckung ändert sich dadurch der Abstand zum Absorber nicht, ist er dafür in der Mitte der Abdeckung (größte Entfernung vom mechanisch fixierten Rand) am größten. Somit wird ein mittlerer Abstand der Abdeckung durch Erhöhung des Gasdrucks zum Absorber vergrößert. Der mittlere Abstand ergibt sich dabei rechnerisch aus dem Mittelwert der Abstände aller Punkte auf der Abdeckung zum Absorber hin. Umgekehrt wird die nach außen gerichtete Wölbung derselben Abdeckung bei Verminderung des Gasdrucks aufgrund des äußeren Luftdrucks geringer. Bei einem Unterdruck im Gehäuse des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors würde sich die mechanisch flexible Abdeckung aufgrund des äußeren Luftdrucks sogar in Richtung des Absorbers wölben. Je nach geometrischer Ausführungsform von Absorber, Abdeckung, Gehäuse und Aufhängung der Abdeckung am Gehäuse kommt die Abdeckung bei unterschiedlichem Druck im Sonnenkollektor in Kontakt mit dem Absorber. Gegebenenfalls wird durch eine dafür ausgelegte Konstruktion auch kein Kontakt mit dem Absorber hergestellt. Eine Vorrichtung zur Einstellung des Gasdrucks umfasst beispielsweise eine an den Sonnenkollektor angeschlossene Gasflasche mit entsprechendem Überdruck und ein durch die Vorrichtung gesteuertes Ventil zwischen Gasflasche und Gehäuseinnenseite. Zum Ablassen von Druck kann das Gehäuse in einer weiteren Ausführungsform ein zweites von der Vorrichtung gesteuertes Gasauslassventil besitzen, das bei Druckaufbau geschlossen ist. Damit lässt sich mit einer zeitlich begrenzten Gaszufuhr ein über einen längeren Zeitpunkt konstanter Druck zwischen Abdeckung und Absorber einstellen. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung vorzugsweise einen Ventilator mit geeigneter Gaszufuhr. Dadurch kann der Druckaufbau im Gehäuse auch ohne ein unter Überdruck stehendes Gasreservoir erreicht werden. Diese Ausführungsform ist damit konstruktiv einfacher zu realisieren. Allerdings muss hier der Ventilator solange betrieben werden, wie die Wölbung der Abdeckung aufrechterhalten werden soll.
Die Ausführungsformen für starre oder flexible Abdeckungen können auch Mehrfachabdeckungen umfassen, entweder durch Bilden verschiedener gasgefüllter, vorzugsweise luftgefüllter, Kammern aus mehrfach übereinanderliegendem Folienmaterial, die wahlweise befüllt oder entleert werden können, beispielsweise durch parallel getrennte Gaszufuhrkanäle zu den einzelnen Kammern, oder durch eine ineinanderliegende, gegeneinander bewegliche Rahmenkonstruktion, die mehrere Abdeckungen umfasst.
In einer Ausführungsform wird der Absorber von dem Wärmeträgermedium durchströmt und besteht aus Kunststoff oder aus einem beschichteten Material, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, oder teilweise oder gesamthaft aus einem Photovoltaikelement. Der Absorber aus Kunststoff ist dabei einfach und kostengünstig zu fertigen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kunststoffmaterial aus EPDM. Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) ist ein terpolymeres Elastomer und gehört zu den statistischen Copolymeren mit gesättigtem Polymergerüst. Es besitzt eine hohe Elastizität und gute chemischen Beständigkeit. EPDM ist ein gängiger Werkstoff für Schläuche, welche für Dampf oder Heißwasser verwendet werden. EPDM-Kautschuke haben einen Ethylen-Gehalt von 45–75 Gew.%. Polymere mit niedrigem Ethylengehalt (45–55 Gew.%) haben dabei die beste Kälteflexibilität. Terpolymere über 65 Gew.% Ethylen haben bereits im unvernetzten Zustand eine hohe Reißfestigkeit.
Die Beschichtung bei entsprechend beschichteten Absorbern soll die Absorptions- und Emissionseigenschaften des Absorbers verbessern. Daher wird der Absorber in manchen Ausführungsbeispielen mit schwarzen Beschichtungen eingefärbt. Andere Beschichtungen, wie beispielsweise Eta plus, Tinox oder Sunselect, verleihen dem Absorber meist eine bläulich-schimmernde Farbe. Man unterscheidet bei den Beschichtungen des Absorbers selektive und nichtselektive Beschichtungen. Letztere besitzen für die Absorption bzw. Emission ähnliche Eigenschaften in einem großen Wellenlängenbereich der Sonnenstrahlung. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Absorber selektiv beschichtet. Selektive Beschichtigungen haben in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen deutlich unterschiedliche Absorptions- und Emissionseigenschaften. Der Begriff „selektiv“ bezeichnet hier Schichten, die die von außen kommende kürzerwellige Sonnenenergie möglichst gut aufnehmen (Absorption) und die längerwellige Wärmeenergie des Absorbers nur schlecht abgeben (Emission). Vorteilhafte selektiv beschichtete Absorber weisen einen sehr niedrigen Emissionsgrad ε im langwelligen Wellenlängenbereich > 1µm auf und sind daher für die effektive Nutzung der eingestrahlten Sonnenenergie besonders geeignet. Diese Beschichtung ist auch für den erfindungsgemäßen Sonnenkollektor im Kühlbetrieb geeignet, da die Abdeckung für diesen Betrieb durch eine geeignete Abstandsänderung in einen mechanischen Kontakt mit dem Absorber gebracht werden kann. Da die Emissionseigenschaften nur von der obersten Schicht, hier also der Oberseite der Abdeckung, bestimmt werden, lässt sich mit der am Absorber anliegenden Abdeckung, beispielsweise einer Kunststofffolie, trotz selektiver Beschichtung des Absorbers eine gute Emission erreichen. Voraussetzung dafür ist ein guter thermischer Kontakt zwischen Absorber und anliegender Abdeckung. In einem anderen Betriebmodus (Betriebsweise) bei gewünschter starker Wärmeabgabe des Sonnenkollektors an das Wärmeträgermedium führt die selektive Beschichtung des Absorbers bei vollständig vom Absorber entfernter Abdeckung (beispielsweise bei großem Abstand zwischen Absorber und Abdeckung) zu der gewünschten starken Aufnahme der Sonnenenergie durch den Absorber bei gleichzeitiger Minimierung der Abstrahlungsverluste vom Absorber im längeren Wellenlängenbereich der Wärmestrahlung.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Gehäuse eine rückseitige Wärmedämmung. Dadurch kann eine unerwünschte Abgabe von Wärme an die Umwelt vermieden werden. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht diese rückseitige Wärmedämmung aus einem Wärmedämmstoff oder einer rückseitig angeordneten Wand, vorzugsweise einer Folie oder Platte, und einem gasgefüllten Spalt zwischen der Wand und der Absorberrückseite. Somit kann mit einfacher geometrischer Gestaltung des Spalts der gewünschte Grad der Wärmedämmung eingestellt werden. In einer bevorzugten Ausführung umfasst das Gehäuse geeignete Mittel zum Einstellen des Gasdrucks im gasgefüllten Spalt oder Mittel zum Vergrößern des Spalts zwischen Wand und der Absorberrückseite. Somit kann die Wärmedämmung flexibel während des Betriebs des erfindunsgemäßen Sonnenkollektors an der Rückseite eingestellt werden. Hierbei kann die Einstellung des Gasdrucks, vorzugsweise des Luftdrucks, mit ähnlichen Mitteln wie die Einstellung des Gasdrucks zur Variation des Abstands zwischen Abdeckung und Absorber verwirklicht werden. In einer Ausführungsform wird mit der Einstellkomponente auch der Gasdruck im Spalt zwischen rückseitiger Wand und Absorber eingestellt. Dazu führen geeignete Gaskanäle von der Einstellkomponente zu diesem Spalt.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines Sonnenkollektors gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Gehäuse mit einer transparenten Abdeckung und einem im Gehäuse angeordneten Absorber zur Abgabe von Wärme an ein das Gehäuse zumindest teilweise durchströmendes Wärmeträgermedium, umfassend die Schritte

– Vergrößern zumindest eines mittleren Abstands zwischen dem Absorber und der transparenten Abdeckung zur Verringerung der Wärmeabgabe an die Umgebung bei entsprechendem Bedarf, und
– Verkleinern zumindest des mittleren Abstands zwischen dem Absorber und der transparenten Abdeckung zur Vergrößerung der Wärmeabgabe an die Umgebung bei entsprechendem Bedarf.

Zusätzlich zu den bereits angeführten Vorteilen kann durch Verringerung des Abstands zwischen Abdeckung und Absorber Wärme aus der Außenluft oder auf der Kollektoroberfläche befindlichem Kondensat, Regen, Reif, Schnee oder Eis entzogen werden. Durch den bei Verringerung des Abstands guten thermischen Kontakt zwischen Absorber und Abdeckung kann Kondensat, Regen, Reif, Schnee oder Eis auch leichter von der Abdeckung entfernt werden. Dadurch können zusätzliche Reinigungsprozeduren des Sonnenkollektors verringert oder ganz vermieden werden. Insbesondere bei großen und/oder schwer zugänglichen Sonnenkollektorflächen kann dies sehr benutzerfreundlich sein und zusätzlichen Aufwand vermeiden. Durch die Verringerung des Abstands kann auch die Stillstandstemperatur des Sonnenkollektors reduziert werden. Durch eine Verringerung des Abstands zwischen Abdeckung und Absorber, insbesondere bei Herstellung eines Kontakts zwischen Abdeckung und Absorber, kann der erfindungsgemäße Sonnenkollektor, insbesondere die Abdeckung, Schneelasten und Belastungen durch Hagel besser aufnehmen.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Minimierens des Abstands zwischen dem Absorber und der transparenten Abdeckung zur Abgabe von Wärme aus dem Gehäuse des Sonnenkollektors an die Umgebung.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte des Vergrößerns oder Verkleinerns durch eine entsprechende mechanische Verschiebung der Abdeckung mittels eines mechanischen Antriebs oder durch eine Änderung des Gasdrucks zumindest zwischen Abdeckung und Absorber mittels einer entsprechenden Vorrichtung, vorzugsweise ein Ventilator.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren des Weiteren den Schritt eines Einstellens eines Grads einer rückseitigen Wärmedämmung, die aus einer rückseitig angeordneten Wand, vorzugsweise eine Folie oder Platte, und einem gasgefüllten Spalt zwischen der Wand und der Absorberrückseite besteht, anhand einer Änderung des Gasdrucks im Spalt durch zumindest teilweise im Gehäuse angeordneter Mittel oder anhand einer Vergrößerung oder Verkleinerung des Spalts zwischen Wand und der Absorberrückseite durch dafür geeignete Mittel.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen im Detail dargestellt.
1: eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sonnenkollektors mit starrer Abdeckung.
2: eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sonnenkollektors mit flexibler Abdeckung.
3: verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Sonnenkollektoren mit starrer Abdeckung: (a) angehobene Abdeckung und nicht einstellbare rückseitige Wärmedämmung, (b) anliegende Abdeckung und nicht einstellbare rückseitige Wärmedämmung, (c) angehobene Abdeckung und eingestellte erhöhte rückseitige Wärmedämmung, (d) anliegende Abdeckung mit eingestellter geringer rückseitiger Wärmedämmung, (e) Mehrfach-Abdeckung durch jeweils angehobene Abdeckungen und nicht einstellbare rückseitige Wärmedämmung, und (f) Mehrfach-Abdeckung mit anliegender und angehobener Abdeckung und nicht einstellbarer rückseitiger Wärmedämmung.
4: verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Sonnenkollektoren mit flexibler Abdeckung: (a) angehobene Abdeckung und nicht einstellbare rückseitige Wärmedämmung, (b) anliegende Abdeckung und nicht einstellbare rückseitige Wärmedämmung, (c) angehobene Abdeckung und eingestellte erhöhte rückseitige Wärmedämmung, (d) anliegende Abdeckung mit eingestellter geringer rückseitiger Wärmedämmung, (e) Mehrfach-Abdeckung durch jeweils angehobene Abdeckungen und nicht einstellbare rückseitige Wärmedämmung, und (f) Mehrfach-Abdeckung mit anliegender und angehobener Abdeckung und nicht einstellbarer rückseitiger Wärmedämmung.
5: eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Sonnenkollektors.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sonnenkollektor 1 als Flachkollektor mit einem Gehäuse 2 und einem im Gehäuse 2 angeordneten Absorber 3, der hier als gestrichelte Schicht dargestellt ist. Dieser Absorber 3 erstreckt sich parallel zu der Abdeckung 21, die zwischen dem Rahmen 2r als Teil des Gehäuses 2 angeordnet ist. Der Absorber 3 gibt die mittels der Sonneneinstrahlung S aufgenommene Wärme an ein das Gehäuse 2 zumindest teilweise durchströmendes Wärmeträgermedium 4 über einen wärmeleitenden Kontakt ab. Die Führung des Wärmeträgermediums 4 im Sonnenkollektor 1, insbesondere in oder um den Absorber 3 herum, ist nicht im Detail gezeigt, da die Führung des Wärmeträgermediums 4 für den Sonnenkollektor 1 vom Fachmann geeignet gewählt werden kann. Die Führung des Wärmeträgermediums 4 ist hier nur durch die beiden Einlass- und Auslassrohre mit entsprechenden Pfeilen seitlich am Gehäuse 2 angedeutet. Das Gehäuse 2 besitzt die transparente Abdeckung 21, damit die Sonneneinstrahlung S auf den Absorber 3 fallen kann. Zur Modifikation der Wärmeabgabe WA an die Umgebung ist die Abdeckung 21 so im Gehäuse 2 angeordnet, dass zumindest der mittlere Abstand A zwischen Abdeckung 21 und Absorber 3 zum Einstellen der Wärmeabgabe WA variiert werden kann. Die hier eingezeichnete Wärmeabgabe WA (Pfeil) ist für eine Wärmeabgabe durch die Abdeckung hindurch eingezeichnet. Diese Wärmeabgabe WA wird durch die Abstandsänderung der Abdeckung 21 zum Absorber 2 beeinflusst. Wärme kann der Sonnenkollektor 1 aber auch durch andere Teile des Gehäuses 2 verlieren, beispielsweise durch die Seitenflächen des Sonnenkollektors 1 oder durch dessen Rückseite. Die Rückseite ist die Seite, die der Seite (Abdeckung 21) gegenüberliegt, durch die die Sonnenstrahlung S hindurchtritt. Damit Wärmeabgaben durch die Rückseite minimiert oder vermieden werden, umfasst der Sonnenkollektor 1 in der hier gezeigten Ausführungsform eine rückseitige Wärmedämmung 7, die vom Fachmann geeignet gewählt werden kann. Die Abdeckung 21 besteht in dieser Ausführungsform aus einer Kunststoffplatte, bevorzugt aus Fluorpolymer, oder aus einer Glasplatte, die in einem zum Gehäuse 2 gehörenden Rahmen 2r fixiert ist. Der Rahmen 2r wird durch mehrere am Rahmen 2r angeordnete mechanische Antriebe 51 bewegt, beispielsweise durch Zahnräder, die in entsprechende Zahnschienen (hier nicht explizit gezeigt) am Rahmen 2r eingreifen. Da die Abdeckung 21 im Rahmen 2r gehaltert ist, bewegt sich die Abdeckung durch die Bewegung des Rahmens 2r relativ zum Absober 3, so dass der Abstand A zwischen Absorber 3 und Abdeckung 21 mittels der mechanischen Antriebe 51 variiert werden kann. Der Rahmen 2r des Gehäuses 2 ist in dem ihm umgebenden Gehäuse 2u für die vertikale Abstandsänderung A geführt. Die Anordnung der Antriebe 51 ist hier nur beispielhaft angegeben. Der Fachmann kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch andere Anordnungen der mechanischen Antriebe 51 und/oder eine andere Anzahl an mechanischen Antrieben 51 wählen. Die mechanischen Antriebe 51 sind Teil einer Einstellkomponente 5 zur Variation des Abstandes A zwischen Absorber 3 und Abdeckung 21. Die Einstellkomponente 5 wird von einer Steuereinheit 10 zur Auswahl der Betriebsweise gesteuert, da die Wahl der Betriebsweise eine Änderung des Abstands A zur Folge haben kann. Entsprechend der ausgewählten Betriebsweise werden die mechanischen Antriebe 51 von der sie kontrollierenden Einstellkomponente 5 so angesteuert, dass der gewünschte Abstand A eingestellt wird. Für eine Stromversorgung der mechanischen Antriebe 51 umfasst der Sonnenkollektor 1 des Weiteren ein Photovoltaikelement 6, das dazu ausgestaltet ist, die Einstellkomponente 5 und damit auch die mechanischen Antriebe 51 mit Strom zu versorgen. In dieser Ausführungsform ist das Photovoltaikelement 6 auf dem Absorber 3 angeordnet. In anderen Ausführungsformen kann das Photovoltaikelement 6 auch an anderen Stellen im oder am Gehäuse 2 oder außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet sein, sofern es über eine elektrische Verbindung mit zumindest der Einstellkomponente 5 verbunden ist.
2 zeigt eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sonnenkollektors 1 als Flachkollektor mit einem Gehäuse 2 und einem im Gehäuse 2 angeordneten Absorber 3, der hier als gestrichelte Schicht dargestellt ist, und einer Abdeckung 21, deren mittlerer Abstand A zum Absorber 3 variiert werden kann. Zur Verdeutlichung der Unterschiede beider Ausführungsformen gemäß 1 und 2 werden hier nur die unterscheidenden Merkmale im Detail erläutert. Für den Absorber 3, das Wärmeträgermedium 4 und dessen Führung durch den Sonnenkollektor 1, die rückseitige Wärmedämmung 7, das Photovoltaikelement 6 und die Steuereinheit 10 gelten die Erläuterungen wie bei 1 entsprechend. Das Gehäuse 2 umfasst hier als Abdeckung 21 eine flexible Abdeckung 21f, die beispielsweise als Kunststofffolie 21f, bevorzugt aus Fluorpolymer, ausgeführt und mit dem Gehäuse 2 luftdicht verbunden ist. Das Gehäuse 2 ist dabei zumindest zwischen Abdeckung 21f und Absorber 3 gasgefüllt. Durch Änderung des Gasdrucks zwischen Abdeckung 21f und Absorber 3 wird die Abdeckung 21f nach außen gewölbt (Überdruck gegenüber dem von außen anliegenden Luftdruck) oder nach innen gewölbt (Unterdruck relativ zum von außen anliegenden Luftdruck). Über Variation der Wölbung infolge der Variation des Gasdrucks wird der mittlere Abstand A zwischen flexibler Abdeckung 21f und Absorber 3 eingestellt bzw. variiert. Die Einstellkomponente 5 steuert dazu eine Vorrichtung 52 zum variablen Einstellen des Gasdrucks im Gehäuse 2. Das Gehäuse 2 kann hier im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß 1 einen einzelnen starren Rahmen umfassen, in dem die flexible Abdeckung 21f gehaltert ist, beispielsweise ist sie in das sie umgebende Gehäuse 2 eingeklemmt oder mit dem umgebenden Gehäuse 2 verklebt oder verschweißt. Die Vorrichtung 52 kann beispielsweise eine Gasflasche sein, aus der Gas unter Überdruck in das Gehäuse 2 eingelassen wird. Der Einlass wird beispielsweise über ein steuerbares Ventil (hier nicht gezeigt) von der Einstellkomponente 5 kontrolliert. In 2 ist des Weiteren ein Gasauslass 53 zum Verringern des Gasdrucks im Gehäuse 2 zwischen Abdeckung 21f und Absorber 3 gezeigt. Dieser Gasauslass 53 besitzt beispielsweise ebenfalls ein steuerbares Ventil, das von der Einstellkomponente 5 gesteuert wird. Für die Einstellung eines gewünschten Abstands ist beispielsweise ein Steuerschema in der Einstellkomponente 5 gespeichert, mit dem die den gewünschten Abständen entsprechenden Gasdrücke hinterlegt sind, beispielsweise in Form einer Datentabelle, auf die ein Steuerprogramm der Einstellkomponente 5 zugreifen kann.
3 zeigt verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Sonnenkollektoren 1 als Flachkollektoren jeweils mit starrer Abdeckung 2, beispielsweise eine Kunststoff- oder Glasplatte:

(a) diese Ausführungsform entspricht dem bereits in 1 gezeigten Sonnenkollektor 1 mit angehobene Abdeckung 21 und nicht einstellbarer rückseitiger Wärmedämmung 7. Hier ist die Wärmeabgabe WA durch die Abdeckung 21 hindurch aufgrund des groß eingestellten Abstands A gering.
(b) diese Ausführungsform entspricht dem bereits in 1 gezeigten Sonnenkollektor 1 mit einer am Absorber 3 anliegenden Abdeckung 21 und nicht einstellbarer rückseitiger Wärmedämmung 7. Hier ist die Wärmeabgabe WA durch die anliegende Abdeckung 21 aufgrund des minimierten Abstands A zum Absorber (= 0 bei anliegender Abdeckung) maximal.
(c) zeigt eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sonnenkollektors 1. Die der Sonneneinstrahlung S zugewandten Seite entspricht den Gegebenheiten in 3(a). Hier umfasst allerdings die rückseitige Wärmedämmung eine rückseitig angeordnete Wand 71, vorzugsweise eine Folie oder Platte, und einen gasgefüllten Spalt 72 zwischen der Wand 71 und der Absorberrückseite 3. Mit am Gehäuse 2 angeordneten geeigneten Mitteln 9 wurde ein großer Spalt 72 zwischen Wand 71 und der Absorberrückseite 3 eingestellt. Dadurch ist die Wärmeabgabe WA sowohl durch die Abdeckung 21 hindurch als auch durch die Rückseite (Wand) 71 hindurch gering. Die Mittel 9 können in manchen Ausführungsformen separat von der Einstellkomponente 5 mit mechanischen Antrieben 51 ausgeführt sein. Hier ist dagegen der mechanische Antrieb 51 auch für die Einstellung der Breite des Spalts 72 zuständig. Die mechanische Anordnung entspricht auf der Rückseite des Absorbers 3 der Anordnung wie zur Bewegung der Abdeckung 21 auf der der Sonneneinstrahlung S zugewandten Seite.
(d) zeigt die Ausführungsform wie in 3(c), wobei nun sowohl der Abstand A zwischen Abdeckung 21 und Absorber 3 sowie zwischen Wand 71 und Absorber 3 minimiert sind. Dadurch ist die Wärmeabgabe WA sowohl durch die Abdeckung 21 hindurch als auch durch die Rückseite (Wand) 71 hindurch maximal.
(e) zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sonnenkollektors 1 mit einer Mehrfach-Abdeckung 21, hier als zweifache Abdeckung 21 ausgeführt. Hier ist die Wärmeabgabe WA durch die beiden angehobenen Abdeckungen 21 hindurch aufgrund der beiden groß eingestellten Abstände A noch viel geringer als beispielsweise in 3(a). Die rückseitige Wärmedämmung 7 ist hier nicht einstellbar. Die Wärmeabgabe durch diese rückseitige Wärmedämmung hängt von deren Güte ab.
(f) hier ist bei der wie bereits in 3(e) gezeigten Ausführungsform die innere Abdeckung 21 am Absorber 3 anliegend, so dass sich die gleichen Eigenschaften für die Wärmeabgabe WA wie bei 3(a) einstellen.

4 zeigt verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Sonnenkollektoren 1 mit jeweils flexibler Abdeckung 21f, wobei die in den einzelnen Unterfiguren (a)–(f) gezeigten Ausführungsformen denen in 3 im Prinzip entsprechen, allerdings mit dem Unterschied, dass die Sonnenkollektoren aus 4 zur Variation des Abstands eine flexible Abdeckung besitzen, siehe dazu auch 2:

(a) diese Ausführungsform entspricht dem bereits in 2 gezeigten Sonnenkollektor 1 mit nach außen gewölbter Abdeckung 21f und nicht einstellbarer rückseitiger Wärmedämmung 7. Hier ist die Wärmeabgabe WA durch die gewölbte Abdeckung 21f hindurch aufgrund des groß eingestellten mittleren Abstands A gering.
(b) diese Ausführungsform entspricht dem bereits in 2 gezeigten Sonnenkollektor 1 mit einer am Absorber 3 anliegenden Abdeckung 21 und nicht einstellbarer rückseitiger Wärmedämmung 7. Hier ist die Wärmeabgabe WA durch die anliegende Abdeckung 21f aufgrund des minimierten Abstands A zum Absorber (= 0 bei anliegender Abdeckung) maximal.
(c) zeigt eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sonnenkollektors 1. Die der Sonneneinstrahlung S zugewandten Seite entspricht den Gegebenheiten in 4(a). Hier umfasst allerdings die rückseitige Wärmedämmung eine rückseitig angeordneten Wand 71, vorzugsweise eine Folie oder Platte, und einem gasgefüllten Spalt 72 zwischen der Wand 71 und der Absorberrückseite 3. Mit am Gehäuse 2 angeordneten geeigneten Mitteln 8 wurde ein großer Spalt 72 zwischen der nach außen gewölbten Wand 71 und der Absorberrückseite 3 eingestellt. Dadurch ist die Wärmeabgabe WA sowohl durch die Abdeckung 21f hindurch als auch durch die Rückseite (Wand) 71 hindurch gering. Die Mittel 8 können in manchen Ausführungsformen separat von der Einstellkomponente 5 und der Vorrichtung 52 zur Variation des Gasdrucks ausgeführt sein. Hier ist dagegen die Vorrichtung 52 auch für die Einstellung der Breite des Spalts 72 zuständig. Die Vorrichtung 52 entspricht für die Rückseite des Absorbers der Vorrichtung 52 zur Wölbung der Abdeckung 21f auf der der Sonneneinstrahlung S zugewandten Seite.
(d) zeigt die Ausführungsform wie in 4(c), wobei nun sowohl der Abstand A zwischen Abdeckung 21f und Absorber 3 sowie zwischen Wand 71 und Absorber 3 minimiert sind (Unterdruck). Dadurch ist die Wärmeabgabe WA sowohl durch die Abdeckung 21f hindurch als auch durch die Rückseite (Wand) 71 hindurch maximal.
(e) zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sonnenkollektors 1 mit einer Mehrfach-Abdeckung 21f, hier als zweifache Abdeckung 21f ausgeführt. Hier ist die Wärmeabgabe WA durch die beiden angehobenen Abdeckungen 21f hindurch aufgrund der beiden groß eingestellten Abstände A noch viel geringer als beispielsweise in 4(a). Die rückseitige Wärmedämmung 7 ist hier nicht einstellbar. Die Wärmeabgabe durch diese rückseitige Wärmedämmung hängt von deren Güte ab.
(f) hier ist bei der bereits in 4(e) gezeigten Ausführungsform die innere Abdeckung 21f am Absorber 3 anliegend, so dass sich in Summe die gleichen Eigenschaften für die Wärmeabgabe WA wie bei 4(a) einstellen.

5 zeigt eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Sonnenkollektors 1 mit einer Steuereinheit 10 zur Auswahl der Betriebweise des Sonnenkollektors 1. Hier kann beispielsweise zwischen Heizbetrieb H (großer Bedarf an Wärmeabgabe an das Wärmeträgermedium 4), Stillstandsbetrieb S (keine Wärmeabgabe an das Wärmeträgermedium 4 erforderlich, Komponenten des Sonnenkollektors 1 sollten nicht überhitzen) und Kühlbetrieb (das Wärmeträgermedium 4 soll mittels Wärmeabgabe WA des Sonnenkollektors 1 an die Umgebung gekühlt werden). Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der Fachmann auch noch weitere Betriebweisen zur Einstellung eines bestimmten Abstands A zumindest zwischen Abdeckung 21 und Absorber 3, gegebenenfalls auch zwischen rückseitiger Wand 71 und Absorber 3, definieren. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden je nach gewählter Betriebsweise zumindest der mittlere Abstand A zwischen dem Absorber 3 und der transparenten Abdeckung 21 zur Verringerung V – WA der Wärmeabgabe WA an die Umgebung vergrößert Vg oder zumindest der mittlere Abstand A zwischen dem Absorber 3 und der transparente Abdeckung 21 zur Vergrößerung V + WA der Wärmeabgabe WA an die Umgebung verkleinert Vk. Bei einem Kühlbetrieb wird der Abstand A zwischen dem Absorber 3 und der transparenten Abdeckung 21 zur Abgabe von Wärme WA aus dem Gehäuse 2 des Sonnenkollektors 1 an die Umgebung minimiert M. Die Schritte des Vergrößerns Vg oder Verkleinerns Vk werden dabei durch eine entsprechende mechanische Verschiebung der Abdeckung 21 mittels eines mechanischen Antriebs 51 oder durch eine Änderung des Gasdrucks zumindest zwischen Abdeckung 21f und Absorber 3 mittels einer entsprechenden Vorrichtung 52, vorzugsweise ein Ventilator, ausgeführt. Hierbei kann als Unterstützung des vorderseitigen Effekts der höheren oder niedrigeren Wärmeabgabe WA der Grads der rückseitigen Wärmedämmung 7, die aus einer rückseitig angeordneten Wand 71 und einem gasgefüllten Spalt 72 zwischen der Wand 71 und der Absorberrückseite 3 besteht, anhand einer Änderung des Gasdrucks im Spalt 72 mittels zumindest teilweise im Gehäuse angeordnete Mittel 8 oder anhand einer Vergrößerung Vg oder Verkleinerung Vk des Spalts 72 zwischen Wand 71 und der Absorberrückseite 3 mittels dafür geeigneter Mittel 9 entsprechend eingestellt werden.
Alternative Ausführungsformen, die der Fachmann möglicherweise im Rahmen der vorliegenden Erfindung in Betracht zieht, sind vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ebenfalls mit umfasst. In den Ansprüchen umfassen Ausdrücke wie “ein” auch die Mehrzahl. In den Ansprüchen angegebene Bezugszeichen sind nicht einschränkend auszulegen.
Bezugszeichenliste

1: erfindungsgemäßer Sonnenkollektor
2: Gehäuse des Sonnenkollektors
2r: beweglicher Rahmen zur Bewegung der Abdeckung als Teil des Gehäuses
2u: Teil des Gehäuses 2, das den Rahmen 2r umgibt
21: Abdeckung
21f: luftdicht mit dem Gehäuse verbundene (mechanisch flexible) Abdeckung
3: Absorber
4: Wärmeträgermedium
5: Einstellkomponente
51: mechanischer Antrieb
52: Vorrichtung zum variablen Einstellen des Gasdrucks im Gehäuse
53: Gasauslass
6: Photovoltaikelement
7: rückseitige Wärmedämmung
71: rückseitig angeordnete Wand (Folie oder Platte)
72: gasgefüllter Spalt
8: Mittel zum Einstellen des Gasdrucks im gasgefüllten Spalt
9: Mittel zum Vergrößern des Spalts zwischen Wand und Absorberrückseite
10: Steuereinheit zur Auswahl der Betriebsweise
A: Abstand (mittlerer) zwischen Absorber und Abdeckung
E: Einstellen eines Grads einer rückseitigen Wärmedämmung
H: Heizbetrieb
K: Kühlbetrieb
M: Minimieren des Abstands A
S: Sonneneinstrahlung
ST: Stillstandsbetrieb
Vg: Vergrößern des Abstands A bzw. des Spalts 72
Vk: Verkleinern des Abstands A bzw. des Spalts 72
V – WA: Verringerung der Wärmeabgabe WA
V + WA: Vergrößerung der Wärmeabgabe WA
WA: Wärmeabgabe an die Umwelt

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

DE 3541486 A1 [0003]
DE 202005005631 U1 [0004]

Claims

Ein Sonnenkollektor (1) mit einem Gehäuse (2) und einem im Gehäuse (2) angeordneten Absorber (3) zur Abgabe von Wärme an ein das Gehäuse (2) zumindest teilweise durchströmendes Wärmeträgermedium (4), wobei das Gehäuse (2) zumindest eine transparente Abdeckung (21) zum Durchlass der Sonneneinstrahlung (S) auf den Absorber (3) und zur Modifikation der Wärmeabgabe (WA) an die Umgebung umfasst, wobei die Abdeckung (21) so im Gehäuse (2) angeordnet ist, dass zumindest der mittlere Abstand (A) zwischen Abdeckung (21) und Absorber (3) zum Einstellen der Wärmeabgabe (WA) variiert werden kann.
Der Sonnenkollektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (21) mindestens eine Kunststofffolie oder Kunsstoffplatte, bevorzugt aus Fluorpolymer, oder mindestens eine Glasplatte umfasst.
Der Sonnenkollektor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonnenkollektor (1) des Weiteren eine Einstellkomponente (5) zur Variation des Abstandes (A) zwischen Absorber und Abdeckung umfasst.
Der Sonnenkollektor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonnenkollektor (1) des Weiteren ein Photovoltaikelement (6) umfasst, das mindestens dazu ausgestaltet ist, die Einstellkomponente (5) mit Strom zu versorgen.
Der Sonnenkollektor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (3) das Photovoltaikelement (6) und eine rückseitige Vorrichtung zur Wärmeabfuhr an das Wärmeträgermedium umfasst, vorzugsweise ist der Absorber (3) vollständig als Photovoltaikelement (6) mit rückseitiger Vorrichtung zur Wärmeabfuhr ausgeführt.
Der Sonnenkollektor (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellkomponente (5) einen mechanischen Antrieb (51) umfasst, wobei die Abdeckung (21) so am Gehäuse (2) relativ zum Absober (3) verschiebbar gelagert und der mechanische Antrieb (51) und die Lagerung der Abdeckung (21) so ausgestaltet sind, dass der Abstand (A) zwischen Absorber (3) und Abdeckung (21) mittels des mechanischen Antriebs (51) variiert werden kann.
Der Sonnenkollektor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (21) neben mindestens einer Kunststofffolie eine nachstellende Vorrichtung geeignet zur Aufnahme thermischer Materialausdehnungen umfasst, in der die Kunststofffolie befestigt ist.
Der Sonnenkollektor (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (21) eine im Wesentlichen luftdicht mit dem Gehäuse (2) verbundene, vorzugsweise mechanisch flexible, Abdeckung (21f) ist, das Gehäuse (2) zumindest zwischen Abdeckung (21f) und Absorber (3) gasgefüllt ist und dass die Einstellkomponente (5) eine Vorrichtung (52), vorzugsweise ein Ventillator (52), zum variablen Einstellen des Gasdrucks im Gehäuse (2) umfasst.
Der Sonnenkollektor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (3) von dem Wärmeträgermedium (4) durchströmt wird und aus Kunststoff, bevorzugt EPDM, oder aus einem beschichteten Material, vorzugsweise ein selektiv beschichtetes Material, oder teilweise oder gesamthaft aus einem Photovoltaikelement (6) besteht.
Der Sonnenkollektor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) eine rückseitige Wärmedämmung (7) umfasst.
Der Sonnenkollektor (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitige Wärmedämmung (7) aus einem Wärmedämmstoff oder einer rückseitig angeordneten Wand (71), vorzugsweise eine Folie oder Platte, und einem gasgefüllten Spalt (72) zwischen der Wand (71) und der Absorberrückseite (3) besteht, vorzugsweise umfasst das Gehäuse (2) zumindest teilweise geeignete Mittel (8) zum Einstellen des Gasdrucks im gasgefüllten Spalt (72) oder Mittel (9) zum Vergrößern des Spalts zwischen Wand (71) und der Absorberrückseite (3).
Verfahren zum Betreiben eines Sonnenkollektors (1) nach Anspruch 1 mit einem Gehäuse (2) mit einer transparenten Abdeckung (21) und einem im Gehäuse (2) angeordneten Absorber (3) zur Abgabe von Wärme an ein das Gehäuse (2) zumindest teilweise durchströmendes Wärmeträgermediums (4) umfassend die Schritte – Vergrößern (Vg) zumindest eines mittleren Abstands (A) zwischen dem Absorber (3) und der transparenten Abdeckung (21) zur Verringerung (V – WA) der Wärmeabgabe (WA) an die Umgebung bei entsprechendem Bedarf, und – Verkleinern (Vk) zumindest des mittleren Abstands (A) zwischen dem Absorber (3) und der transparenten Abdeckung (21) zur Vergrößerung (V + WA) der Wärmeabgabe (WA) an die Umgebung bei entsprechendem Bedarf.
Verfahren nach Anspruch 12, umfassend den weiteren Schritt des Minimierens (M) des Abstands (A) zwischen dem Absorber (3) und der transparenten Abdeckung (21) zur Abgabe von Wärme (WA) aus dem Gehäuse (2) des Sonnenkollektors (1) an die Umgebung.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Schritte des Vergrößerns (Vg) oder Verkleinerns (Vk) durch eine entsprechende mechanische Verschiebung der Abdeckung (21) mittels eines mechanischen Antriebs (51) oder durch eine Änderung des Gasdrucks zumindest zwischen Abdeckung (21, 21f) und Absorber (3) mittels einer entsprechenden Vorrichtung (52), vorzugsweise ein Ventilator, ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, des Weiteren umfassend den Schritt eines Einstellens (E) eines Grads einer rückseitigen Wärmedämmung (7), die aus einer rückseitig angeordneten Wand (71), vorzugsweise eine Folie oder Platte, und einem gasgefüllten Spalt (72) zwischen der Wand (71) und der Absorberrückseite (3) besteht, anhand einer Änderung des Gasdrucks im Spalt (72) mittels zumindest teilweise im Gehäuse angeordneter Mittel (8) oder anhand einer Vergrößerung (Vg) oder Verkleinerung (Vk) des Spalts (72) zwischen Wand (71) und der Absorberrückseite (3) mittels dafür geeigneter Mittel (9).