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Die nachfolgende Erfindung betrifft einen thermischen Solarkollektor, einen thermischen Speicherkollektor und eine Solaranlage.
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Mit thermischen Solarkollektoren wird üblicherweise Niedertemperatur-Wärme auf Temperaturniveaus bis etwa 70°C bereitgestellt, da sich diese auch ohne eine Konzentration der Solarstrahlung und mit vergleichsweise einfachen Einrichtungen erzeugen lässt.
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Solare Energiegewinnung an sich ist etwa in der
DE 30 45 662 A1 beschrieben, die einen Wärmeabsorber zum Gegenstand hat. Ein Sonnenkollektor wird auch in der G 91 00 096.U1 offenbart. Die Gewinnung von Sonnenenergie liegt auch der Beschreibung des Gegenstandes der
DE 37 20 092 A1 zu Grunde.
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Thermische Solarkollektoren bestehen aus einem Gehäuse, einem Absorber, einer Wärmedämmung, einer Abdichtung gegenüber Umwelteinflüssen, einer lichtdurchlässigen Abdeckung zur Vermeidung von konvektiven Wärmeverlusten und einer mit dem Absorber wärmeleitend verbundenen Wärmeabfuhrvorrichtung. Deren Fertigung ist weitestgehend automatisiert. Für den Absorber und die Wärmeabfuhrvorrichtung werden aufgrund deren vergleichsweise hohen Wärmeleitfähigkeit meist vergleichsweise teure Metalle, wie Kupfer und Aluminium oder auch vermehrt Stahl, eingesetzt.
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Aus dem Stand der Technik sind Solarkollektoren bekannt, die aus Werkstoffen mit hinreichender Verfügbarkeit und geringen Kosten, wie etwa Beton oder Kunststoffen, hergestellt werden. Die
DE 100 00742 A1 offenbart einen Solarkollektor zur Aufdach- oder Indach-Montage, der aus einem selbstaushärtenden Werkstoff wie Beton, Estrich oder einer technischen Keramik herstellbar ist. Bei dem dort beschriebenen Solarkollektor ist eine Kapillarrohrmatte in einen Gusskörper aus dem selbstaushärtenden Werkstoff eingelegt. Hinter der Kapillarrohrmatte kann eine Wärmedämmung angebracht sein, die sich entweder im Gusskörper oder außerhalb des Gusskörpers befindet.
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Auch ist die Verwendung von nicht-ebenen Absorbern bekannt, beispielsweise in Zylinder-, Kegel-, Kegelstumpf-, Prismenform, und kann dafür sorgen, dass unter variierenden Sonnenständen eine gleichbleibende Fläche des Absorbers beleuchtet wird. Aus der
DE 203 14 431 U1 ist eine Anlage zur Umwandlung von Sonnenenergie bekannt, bei der ein Solarabsorber auf die Mantelfläche eines im Wesentlichen kegelförmigen Bauteils aufgebracht wird. Solche Solarkollektoren sind auch unter der Bezeichnung „Energiekegel” bekannt, wobei diese im Freien aufgestellt als unabgedeckter Niedersttemperatur-Solarthermiekollektor oder Wärmequelle für eine Wärmepumpe betrieben werden können.
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Kollektoren, die Temperaturen von zumindest 65°C in einem Medium liefern sollen, müssen abgedeckt sein, da ohne Abdeckung die Wärmeverluste schon bei einer viel geringeren Temperatur den Wärmegewinnen entsprechen und der Kollektor in den Stillstand tritt. Abgedeckte Kollektoren müssen jedoch in bestimmten Zeitabständen gewartet werden. Beispielsweise wird die Abdichtung von Zeit zu Zeit ausgetauscht, da eindringende Feuchtigkeit den Transmissionsgrad mindert und Korrosion hervorrufen kann.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen thermischen Solarkollektor zu schaffen, der wartungsarm, kostengünstig, mit einfacher Fertigungstechnik herstellbar ist und aus kostengünstigen Werkstoffen besteht.
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Diese Aufgabe wird durch einen thermischen Solarkollektor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
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Ferner besteht eine weitere Aufgabe der Erfindung darin, einen thermischen Speicherkollektor zu schaffen, der kostengünstig, mit einfacher Fertigungstechnik herstellbar ist und der bei kompakter Bauform eine vergleichsweise hohe volumetrische Speicherdichte hat.
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Diese Aufgabe wird durch einen thermischen Speicherkollektor mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
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Bevorzugte Weiterbildungen werden jeweils durch die Unteransprüche beschrieben.
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Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige Solaranlage zu schaffen, die autark und ohne Netzkopplung betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Solaranlage mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 13 gelöst.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen thermischen Solarkollektor mit einem spitzkörperförmigen Absorber-Grundkörper. Der Solarkollektor hat ferner eine Wärmeabfuhrvorrichtung, die zumindest einen Fluidkanal aufweist, der in zumindest eine Mantelfläche des Absorber-Grundkörpers eingebettet ist. Darüber hinaus verfügt der erfindungsgemäße Solarkollektor über eine Absorptionsoberfläche, die zumindest auf der Mantelfläche des Absorber-Grundkörpers angeordnet ist, und über eine lichtdurchlässige Abdeckung. Letztere ist auf einer der Absorptionsoberfläche abgewandten Oberfläche des Absorber-Grundkörpers angeordnet und erstreckt sich zumindest über eine Mantelfläche des Absorber-Grundkörpers. Die lichtdurchlässige, resp. transluzente, Abdeckung wird durch ein Abstandstextil aus zwei oder mehr parallelen Lagen mit Abstandsfasern zwischen den parallelen Lagen gebildet, wobei die Abstandsfasern eine Tragstruktur ausbilden.
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Der spitzkörperförmige Absorber-Grundkörper kann eine Kegelstumpf- oder Pyramidenstumpfform haben. Die Abstandsfasern sind so zwischen den Textillagen angeordnet, dass sie die Lagen auf Abstand halten und bei einer vergleichsweise hohen „Porosität” ein mechanisch hinreichend belastbares „Gerüst”, die Tragstruktur, bilden. Die Abstandsfasern wirken ferner als Konvektionsbremse, wobei es vorteilhaft sein kann, wenn sich die Abstandsfasern im Wesentlichen normal zu den parallelen Lagen erstrecken.
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Der Begriff „Fluid” in Bezug auf den Fluidkanal in der Wärmeabfuhrvorrichtung meint hierin gasförmige Stoffe, flüssige Stoffe als auch Phasengemische.
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„Abstandstextilien” und deren Funktionsprinzip an sich sind bekannt, etwa unter der Bezeichnung „Eisbärfellimitat”. Sie sind durch Weben, Wirken oder Stricken in nahezu jeder beliebigen Form automatisiert und damit kostengünstig herstellbar und wirkt als transparente Wärmedämmung (TWD). Die Abstandsfasern können zudem lichtleitend sein; die Fasern erzeugen dann zwar eine Verschattung der Absorptionsoberfläche, an dem fernen Ende der Faser „eingefangenes” Licht kann jedoch durch die jeweilige Faser zur Absorptionsoberfläche geleitet werden. Das Abstandstextil kann geeigneter Weise auf seiner von der Absorptionsoberfläche abgewandten Oberfläche eine Folie aufweisen, die die Konvektion in Normalenrichtung der Lagen verhindert.
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Geeignete Kunststoffmaterialien für die Abstandsfasern sind hitzebeständige Polymere, etwa solche Polyester oder Polytetrafluorethen, die auch unter Stagnationsbedingungen nicht schmelzen. Alternativ können auch lichtleitende bzw. zumindest transluzente mineralische Fasern zum Einsatz kommen.
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Der Einsatz des Abstandstextils als lichtdurchlässige Abdeckung erlaubt es, dass eingedrungene Feuchtigkeit jederzeit automatisch wieder ausgetrieben wird und dadurch das Transmissionsverhalten der lichtdurchlässigen Abdeckung erhalten bleibt. Dies macht den thermischen Solarkollektor besonders wartungsarm.
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„Über” in Bezug auf die Anordnung der lichtdurchlässigen Abdeckung bezüglich der Mantelfläche des Absorber-Grundkörpers ist hierin in einer flächenmäßigen Bedeutung zu verstehen und nicht in Bezug auf die Schichtenabfolge.
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Für die Herstellung von Ausführungsformen des Absorber-Grundkörpers kann ein kostengünstiger, selbst aushärtender Werkstoff bzw. Material verwendet werden. Es kann sich beispielsweise um einen zementbasierten Werkstoff wie Beton oder Mörtel, Keramik, Lehm oder Kunststoff handeln. Da diese Werkstoffe sehr günstig sind, können wirtschaftlich auch Absorber-Grundkörper mit großen Wanddicken erzeugt werden, was zu einem vergleichsweise hohen Kollektorwirkungsgradfaktor führt. Zudem ist ein Absorber-Grundkörper aus einem dieser Werkstoffe einfach und ohne komplexe Fertigungstechnik herstellbar, wohingegen zur Herstellung von bekannten Kollektortypen, etwa von Flachkollektoren, teure Metalle und mitunter komplexe Schweißtechnik eingesetzt werden. Der erfindungsgemäße thermische Solarkollektor ist somit günstig herstellbar und hat damit auch Marktpotential in Regionen mit geringer Kaufkraft, die zudem häufig in einstrahlungsreichen Gebieten liegen.
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In einer weiteren Ausführungsform können die Abstandsfasern in unterschiedlichen Faserdichten zwischen den zwei parallelen Lagen angeordnet sein, wobei die zumindest zwei parallelen Lagen mit den Abstandsfasern eine Tragstruktur ausbilden. Diese vermindert effektiv konvektive Wärmeverluste, da sich darin die Konvektionsströmung schlecht ausbilden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der Fluidkanal entweder aus einem oder mehreren in den Absorber-Grundkörper eingegossenen Rohr(en) bestehen oder direkt im Absorber-Grundkörper vorliegen. Die erstgenannte Gestaltung ist vorteilhaft, da sie einfach und ohne großen Werkzeugeinsatz herstellbar ist, während es thermisch vorteilhaft ist, wenn die Wärmeabfuhrvorrichtung direkt im Absorber-Grundkörper vorliegt, da in diesem Fall die Wärme ohne einen zusätzlichen Übergangswiderstand vom Absorber-Grundkörper an den Wärmeträger übertragen werden kann. Ferner können im Absorber-Grundkörper-Werkstoff vorliegende Oberflächenrauigkeiten Turbulenz erzeugen und so den Wärmeübergang verbessern, was maßgeblich zu einem höheren Kollektorwirkungsgradfaktor beitragen kann. Es kann geeigneter Weise aber auch vorgesehen sein, innen raue Rohre oder innen berippte Rohre einzusetzen, um diesen Effekt auch bei einer Ausführungsform mit Rohren zu erzielen.
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In einer noch weiteren Ausführungsform kann in dem Absorber-Grundkörper eine Halterungsstruktur eingebettet sein, die eine Mehrzahl kammförmiger Aufnahmeelemente aufweist. Die Aufnahmeelemente haben jeweils mehrere Zinkenzwischenräume, in die jeweils ein Abschnitt des Rohrs oder der Rohre, die den Fluidkanal bilden, eingelegt ist.
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Die Halterungsstruktur durchzieht den Absorber-Grundkörper und erfüllt bei der Herstellung des Absorber-Grundkörpers durch Gießen den Zweck, die Rohre im richtigen Abstand untereinander und in der gewünschten Tiefe zu positionieren. Die kammförmigen Aufnahmeelemente umgreifen dabei jeweils ein Rohr zumindest teilweise. Vollständiges Umgreifen ist nicht erforderlich, es genügt beispielsweise ein Umgriffswinkel von 100°; hierdurch wird der jeweilige Rohrabschnitt quasi wie durch eine Schelle gehalten. Die kammförmigen Aufnahmeelemente können vorteilhaft aus Metall gefertigt sein, da hierdurch die resultierende Wärmeleitfähigkeit des Absorber-Grundkörpers normal zu den Fluidkanälen verbessert werden kann. Die Aufnahmeelemente müssen jedoch nicht aus Metall bestehen; um die Kosten des Gesamtsystems gering zu halten, können auch Holz oder kostengünstige Kunststoffe eingesetzt werden.
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Ferner kann die Halterungsstruktur einen unteren Aufnahmering und einen oberen Aufnahmering aufweisen, wobei der Durchmesser des oberen Aufnahmerings kleiner ist als der des unteren Aufnahmerings. Der obere und der untere Aufnahmering sind über die Aufnahmeelemente verbunden, die sich entlang einer Kontur des Absorber-Grundkörpers erstrecken und bevorzugt in gleichmäßigen Winkelabständen angeordnet sind.
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„Entlang einer Kontur” bedeutet hierin, dass die Erstreckungsrichtung der Aufnahmeelemente eine Richtung ist, die durch Projektion der Längsachse des Absorber-Grundkörpers auf die Mantelfläche des Absorber-Grundkörpers erhalten werden kann. Die Aufnahmeelemente sind sozusagen „Querverbinder”, die die Aufnahmeringe auf Abstand halten und kraftleitend verbinden, während sie selbst die Rohre aufnehmen.
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Darüber hinaus können die Aufnahmeelemente jeweils durch einen äußeren Arretierkamm und einen inneren Montagekamm gebildet werden. Der innere Montagekamm ist von innen auf das oder die Rohre aufgesteckt und der äußere Montagekamm von außen auf das oder die Rohre aufgesteckt. Der Montagekamm weist einen oberen Montageschlitz, in den der obere Aufnahmering gesteckt ist, und einen unteren Montageschlitz, in den der untere Aufnahmering gesteckt ist, auf.
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„Außen” und „innen” sind hierin jeweils in Bezug auf die Radialrichtung zu verstehen. Damit eine belastbare „Steckstruktur”, bestehend aus den Aufnahmeringen und den Aufnahmeelementen, erhalten werden kann, korrespondieren die Schlitzweiten und die Dicken der zugeordneten Aufnahmeringe. Neben den genannten Schlitzen können auch noch andere Verbindungsmittel geeignet sein, um die Aufnahmeelemente und die Aufnahmeringe zu verbinden, beispielsweise stoffschlüssige Fügeverfahren oder eine Kombination von Rastvertiefungen und korrespondierenden Rastmitteln.
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Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung können mit dem unteren Aufnahmering mehrere Standfüße oder zumindest eine Befestigungsvorrichtung verbunden sein. Mit den Standfüßen kann der Solarkollektor beispielsweise platzsparend auf einem Flachdach oder aber auch auf Freiflächen aufgestellt werden, während andere Befestigungsvorrichtungen etwa für eine Steildachmontage, Montage im felsigen Gelände oder auf Nachführungsvorrichtungen vorgesehen sein können. Auch die Standfüße können zu geringen Kosten hergestellt werden, so kann beispielsweise vorgesehen sein, diese aus Holz zu fertigen.
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In einer alternativen Ausführungsform kann der Fluidkanal zusätzlich in der Deckfläche des Absorber-Grundkörpers angeordnet sein, wobei der Fluidkanal beispielsweise als ebene Spirale ausgebildet sein kann. Die Deckfläche ist bei stehender Montage des erfindungsgemäßen Solarkollektors parallel zum Untergrund orientiert, d. h. es können dadurch auch Solarerträge unter großen Sonnenhöhenwinkeln erzielt werden. Unter „Sonnenhöhenwinkel” wird hierbei der Winkel, den der Mittelpunkt der Sonne und eine lokale Tangentialebene an die Erdoberfläche einschließen, bezeichnet. Je nach Aufstellungsstandort des Solarkollektors kann die Form des Absorber-Grundkörpers angepasst werden, wobei für eine äquatornahe Aufstellung eine vergleichsweise große Stirn- bzw. Deckfläche vorteilhaft ist, während für eine Aufstellung in „hohen” Breiten eine sehr kleine Stirnfläche in der Jahressumme mehr Ertrag bringt.
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Die Absorptionsoberfläche des erfindungsgemäßen thermischen Solarkollektors kann ferner als Beschichtung entweder auf der Mantelfläche des Absorber-Grundkörpers oder auf einer Oberfläche des Abstandstextils angebracht sein, wobei die beschichtete Oberfläche in der Benutzungsanordnung dem Absorber-Grundkörper zugewandt ist. Alternativ oder zusätzlich kann der erfindungsgemäße thermische Solarkollektor eine Rückseitendämmung aufweisen, die auf der Innenfläche des Absorber-Grundkörpers angebracht ist.
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Durch die Rückseitendämmung können die thermischen Verluste im Betrieb deutlich reduziert werden. Als Dämmmaterial kommen petrochemisch erzeugte Dämmstoffe in Frage, es können aber auch nachwachsende Naturdämmstoffe auf Basis von Holzfasern, Cellulosefasern oder Hanffasern verwendet werden. Es können jedoch auch Dämmstoffe verwendet werden, die auf Basis von Tiefseeschwämmen, so genannten Poriferae, gewonnen werden. Es wurden mit Schwämmen der Klasse der Glasschwämme gute Ergebnisse hinsichtlich geringer Wärmeleitfähigkeit und geringer Feuchtigkeitsaufnahme erreicht.
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Thermisch ist es vorteilhaft, wenn die Absorptionsoberfläche auf der Mantelfläche des Absorber-Grundkörpers vorliegt, da auf dieser Oberfläche auch die Wärme erzeugt wird und diese auf dem „Weg” zur Wärmeabfuhrvorrichtung nur durch Wärmeleitung durch einen Werkstoff transportiert wird. Liegt die Absorptionsoberfläche hingegen auf der dem Absorber-Grundkörper zugewandten Oberfläche der lichtdurchlässigen Abdeckung vor, so muss die dort erzeugte Wärme auf ihrem „Weg” zur Wärmeabfuhrvorrichtung zunächst einen Luftspalt bzw. zumindest Oberflächenrauigkeiten zwischen dem Abstandstextil und der Oberfläche des Absorber-Grundkörpers überwinden, was thermisch nachteilig ist. Bei der Beschichtung kann es sich um eine nicht spektralselektive Beschichtung handeln, etwa eine schwarze Lackierung, Pulverbeschichtung oder Eloxierung. Der Absorptionsgrad soll dabei mindestens 0,85 betragen und liegt vorteilhaft bei mindestens 0,9, noch vorteilhafter bei mindestens 0,95.
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Alternativ kann die Beschichtung auch spektralselektiv sein. Unter „spektralselektiv” wird hierbei verstanden, dass die Absorptions- und Emissionseigenschaften wellenlängenabhängig sind. Für eine optimale Nutzung der Solarstrahlung wird eine Beschichtung angestrebt, die im Wellenlängenbereich des Sonnenspektrums einen möglichst hohen Absorptionsgrad aufweist und im Wellenlängenbereich der Schwarzkörperstrahlung der Absorptionsfläche einen möglichst kleinen Emissionsgrad aufweist. Der gemittelte Absorptionsgrad im Sonnenspektrum nach DIN 67501 soll mindestens 0,85 betragen, vorteilhaft sind mindestens 0,9, besonders vorteilhaft mindestens 0,95. Der Emissionsgrad bezogen auf die Abstrahlung eines schwarzen Körpers bei 100°C soll maximal 0,1 betragen, vorteilhafterweise maximal 0,075, besonders vorteilhaft sind maximal 0,05. Derartige Beschichtungen sind beispielsweise unter den Markennamen TiNOX® und Mirotherm® erhältlich und können auch auf Betonoberflächen aufgebracht werden.
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Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen thermischen Solarkollektors kann einen Fluidkanal aufweisen, der in Form einer einfachen Helix in die Mantelfläche des Absorber-Grundkörpers eingebettet ist. Es ist aber auch möglich, dass zwei als doppelte Helix angeordnete Fluidkanäle vorliegen oder die Fluidkanäle in einem Harfenmuster verlaufen. In letzterem Fall sind beispielsweise zwei umfänglich im Absorber-Grundkörper im Bereich der Grund- und der Deckfläche verlaufende Sammelkanäle mit Steigkanälen verbunden, die vorteilhafterweise senkrecht in der Mantelfläche des Absorber-Grundkörpers verlaufen. Dies ist in Bezug auf den erzeugten Druckverlust vorteilhaft, da die effektive Kanallänge durch eine „Parallelschaltung” vieler Steigkanäle verringert wird. Es ist darüber hinaus möglich, dass der Fluidkanal als eine Fraktalstruktur, eine Art verästelte Struktur, in der Mantelfläche des Absorber-Grundkörpers vorliegt, die in Bezug auf den Druckverlust optimierbar ist und die sich durch eine gleichmäßige Durchströmung auszeichnet. Eine derartige Struktur ist etwa unter dem Markennamen FracTherm® bekannt und erlaubt es, den Druckverlust gegenüber einer Harfenausführung noch weiter zu verringern.
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Der erfindungsgemäße thermische Speicherkollektor weist in einer ersten Ausführungsform einen oder mehrere erfindungsgemäße(n) thermische(n) Solarkollektor und einen Wärmespeicher auf, der mit dem thermischen Solarkollektor über einen Wärmeträgerkreislauf verbunden ist. Der Wärmespeicher ist in einem von dem Absorber-Grundkörper des thermischen Solarkollektors umschlossenen Raum angeordnet. Mit „umschlossenem” Raum ist der Raum gemeint, der von dem Absorber-Grundkörper als „Spitzkörper-Schale” in seinem Inneren umschlossen wird. Vorteilhaft kann für den Speicherkollektor eine Ausführungsform des Solarkollektors zum Einsatz kommen, die über eine Rückseitendämmung verfügt, da die Wärme über den Wärmeträgerkreislauf effektiver in den Speicher transportiert werden kann als durch Wärmeleitung/Konvektion durch die jeweiligen Wände des Solarkollektors und des Wärmespeichers. Der Speicherkollektor bildet eine kompakte Einheit, die die Grundfläche des Absorber-Grundkörpers optimal ausnutzt und die Wärmeverluste des Speichers verringert.
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Ferner kann es sich bei dem Wärmespeicher um einen Latentwärmespeicher handeln, etwa einen Latentwärmespeicher, der ein Gehäuse aufweist, das mit einem Phasenwechselmaterial gefüllt ist, durch das sich eine Mehrzahl von Wärmeleitblechen erstreckt. Phasenwechselmaterialspeicher, etwa unter Verwendung von Paraffinen bzw. Paraffingemischen, zeichnen sich durch eine hohe volumetrische Speicherdichte, eine hohe Zyklenstabilität und einen „einstellbaren” Schmelzpunkt aus. Die Wärmeleitbleche erhöhen vorteilhaft die effektive Wärmeleitfähigkeit innerhalb des Speichermaterials, wodurch dieser schneller beladen/entladen werden kann.
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Die erfindungsgemäße Solaranlage weist in einer Ausführungsform einen erfindungsgemäßen thermischen Speicherkollektor, eine Pumpe, eine Wärmesenke und eine Photovoltaikanlage auf, wobei der thermische Speicherkollektor, die Pumpe und die Wärmesenke mittels eines Wärmeträgerkreislaufs verbunden sind. Die Photovoltaikanlage liefert die Energie zum Betrieb der Strömungsmaschine und ist elektrisch mit dieser verbunden. Die Anlage ist so auch ohne Netzkopplung operabel, da die Energie zum Betrieb der Strömungsmaschine von der Photovoltaikanlage bereitgestellt wird. Der Wärmeträger kann hierbei ein Stoff oder Stoffgemisch sein, der/das als Fluid, Gas oder als Phasengemisch vorliegt. Bei der Wärmesenke kann es sich um beliebige Wärmesenken handeln, neben Wärmetauschern zur Beheizung von Gebäuden und/oder Prozessen kann es sich auch um einen weiteren Speicher handeln.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen thermischen Solarkollektors,
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2 einen Längs-Teilschnitt des erfindungsgemäßen thermischen Solarkollektors,
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3 eine perspektivische Ansicht der Halterungsstruktur,
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4 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen thermischen Speicherkollektor und ein Schema der erfindungsgemäßen Solaranlage.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer thermischer Solarkollektor perspektivisch dargestellt, wobei die verdeckten „inneren Bauteile”, insbesondere die Rohre 31 und die Halterungsstruktur 12, in der die Rohre 31 jeweils entlang eines Abschnitts aufgenommen sind, gestrichelt dargestellt sind. Bei dem Absorber-Grundkörper 2 handelt es sich um einen innen hohlen Kegelstumpf, der aus einem selbst aushärtenden Material besteht und in den die Halterungsstruktur 12 eingegossen ist. Die Kegelstumpfform des Absorber-Grundkörpers 2 kann bei der Herstellung einfach durch Verschalen und anschließendes Ausgießen erhalten werden, wobei je nach lokaler Verfügbarkeit Beton, Lehm, Keramik oder auch wärmeleitfähige Kunststoffe eingesetzt werden können. An der Unterseite des Kollektors 1 ist ein Fluidanschluss 11 angeordnet, der mit dem Rohr der Wärmeabfuhrvorrichtung fluidisch verbunden ist. Der Fluidanschluss 11 kann etwa als Vorlaufanschluss verwendet werden, während der Rücklauf durch den weiteren Fluidanschluss 13, der entlang der Längsachse des Absorber-Grundkörpers im Inneren verläuft, geleitet wird. Vor- und Rücklauf können auch vertauscht werden, wobei dann eine Vorwärmung des kalten Fluids in dem senkrechten Steigrohr des weiteren Fluidanschlusses 13 erfolgen kann.
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Der Kegelstumpf, der den Absorber-Grundkörper bildet, ist außen mit einer lichtdurchlässigen Abdeckung 4 mit einem Abstandstextil abgedeckt, bei dem es sich hier um ein „Fellimitat” handelt. Solche Abstandstextilien sind Entwicklungen aus der Bionik und ahmen beispielsweise das isolierende Eisbärfell nach. Das Abstandstextil weist zwei parallele Lagen auf, zwischen denen sich Abstandsfasern in Normalenrichtung und unterschiedlichen Faserdichten erstrecken und Waben bzw. Kammern bilden. Die gebildeten Waben bzw. Kammern behindern die Konvektion und verbessern die Isolationswirkung. Die Fasern sind transparent, sodass Licht zu der darunter liegenden Absorptionsschicht geleitet werden kann. Die transparenten parallelen Lagen sind vorteilhaft mit einer transparenten Schutzabdeckung versehen, die leicht reinigbar ist sowie UV-filternde Eigenschaften hat, da die Fasern, die beispielsweise aus Polyester bestehen, nicht UV-beständig sind.
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In 2 ist der Solarkollektor in einer Teilschnittansicht dargestellt, wobei ein Viertel parallel zur Längsachse des Absorber-Grundkörpers 2 herausgeschnitten ist. Der die Rohre 31 umgebende Raum ist dabei mit dem selbstaushärtenden Material, das den Absorber-Grundkörper 2 bildet, ausgefüllt. Die Rohre 31 sind in den Absorber-Grundkörper 2 eingegossen und verlaufen in Form einer Helix, deren Durchmesser sich nach unten hin aufweitet. Der Absorber-Grundkörper 2 ist von einer lichtdurchlässigen Abdeckung 4, dem „künstlichen Eisbärenfell”, abgedeckt, während auf der Außenfläche des Absorber-Grundkörpers 2 eine Absorptionsschicht 5 aufgebracht ist. Die lichtdurchlässige Abdeckung 4 grenzt vollflächig an die Mantelfläche des Absorber-Grundkörpers 2. Der thermische Solarkollektor 1 weist zusätzlich einen Fluidkanal 3 in der Deckfläche des Absorber-Grundkörpers 2 auf. Der Fluidkanal 3 in der Deckfläche ist als ebene Spirale ausgebildet. Die Ausführungsform mit Fluidkanal 3 in der Deckfläche ist vorteilhaft, wenn der thermische Solarkollektor 1 in Regionen mit vergleichsweise hohem Sonnenstand eingesetzt werden soll. Andere Ausführungsformen, bei denen die Fluidkanäle nur in der Mantelfläche liegen, sind besser für Regionen mit grundsätzlich „kleinen” Sonnenhöhenwinkeln, d. h. etwa ab 50° nördlicher bzw. südlicher Breite, gut geeignet, da in diesen Regionen die auf horizontalen Flächen erzielbaren Solarerträge ohnehin gering sind. Ferner kann der Absorber-Grundkörper 2 in einer nicht figurativ gezeigten Ausführungsform innenseitig mit einer Rückseitendämmung versehen sein, um Wärmeverluste zu minimieren.
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Die 3 zeigt nur die Halterungsstruktur 12 des Solarkollektors, wobei der Absorber-Grundkörper, die Rohre und die lichtdurchlässige Abdeckung ausgeblendet sind. Die Halterungsstruktur 12 kann kostengünstig aus einer begrenzten Anzahl von geschnittenen/gestanzten Blechen hergestellt werden. Sie weist einen unteren Aufnahmering 121, einen oberen Aufnahmering 124 und kammförmige Aufnahmeelemente 127 auf, deren Vertiefungen bzw. Zinkenzwischenräume 122, 123' dazu vorgesehen sind, die Rohre aufzunehmen und zu fixieren, sodass sie für den Einguss des selbst aushärtenden Materials in einem geeigneten Abstand zueinander und in der geeigneten Tiefe vorliegen. Die Aufnahmeelemente 127 bestehen jeweils aus einem inneren Montagekamm 123, der seinerseits einen unteren Montageschlitz 125 und einen oberen Montageschlitz 126 aufweist, wobei in den unteren Montageschlitz 125 der untere Aufnahmering 121 und in den oberen Montageschlitz 126 der obere Aufnahmering 124 gesteckt ist. Durch die Anordnung einer Mehrzahl von inneren Montagekämmen 123 in jeweils gleichmäßigen Winkelabständen wird so eine stabile „Steckstruktur” erhalten, in die bei der Herstellung die Rohre gelegt werden. Darüber hinaus weist jedes der Aufnahmelemente 127 einen äußeren Arretierkamm 122 auf, dessen Zinkenzwischenräume 122' gegengleich zu den Zinkenzwischenräumen 123' des Montagekamms 123 sind und zusammen einen Aufnahmequerschnitt für ein Rohr bilden. Die Arretierkämme 122 und die Montagekämme 123 können jeweils auch verbunden werden, wobei sie etwa miteinander korrespondierende Rastmittel haben können, die miteinander verclipst werden können oder einfach, wie von der Montage von Bewehrungen in Stahlbeton bekannt, mit Draht verbunden werden. Da die Anzahl der unterschiedlichen Teile der Halterungsstruktur 12 lediglich vier beträgt und für die Herstellung nur ein Plattenmaterial nötig ist, kann die Halterungsstruktur 12 an jedem beliebigen Ort mit vergleichsweise einfacher Technik und zu günstigen Kosten hergestellt werden. Es kann sogar auch vorgesehen sein, für die Halterungsstruktur kein Metall, sondern Holz oder einen kostengünstigen, beispielsweise rezyklierten, Kunststoff zu verwenden.
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4 zeigt ein Schema der erfindungsgemäßen Solaranlage. Der Speicherkollektor besteht aus dem erfindungsgemäßen thermischen Solarkollektor 1, wobei innerhalb des von dem Absorber-Grundkörper 2 des Solarkollektors 1 umschlossenen Raums ein Wärmespeicher 8 angeordnet ist; so bleibt der Raum innerhalb des Absorber-Grundkörpers 2 nicht ungenutzt. Eine Pumpe 9 ist fluidisch mit dem thermischen Speicherkollektor 1 und dem Speicher 8, der die Wärmesenke darstellt, verbunden. Eine Photovoltaikanlage 10 ist elektrisch mit der Pumpe 9 verbunden und liefert die Energie zum Betrieb letzterer. Die erfindungsgemäße Solaranlage eignet sich gut zum Einsatz in Regionen ohne zuverlässig funktionierendes Stromnetz bzw. in entlegenen Regionen und Entwicklungsländern. Eine Photovoltaikanlage 10 mit einer zum Betrieb der Pumpe 9 hinreichenden Leistungsabgabe, beispielsweise 100 Watt, ist bei Einsatz von Dünnschichtmodulen schon sehr kostengünstig verfügbar.
