DE102013208608B3 - Solar thermal flat panel collector for receiving or radiating thermal energy, has transparent film arranged at distance from absorber and cover plate, where film is pre-stressed foil fixed between contact surfaces of collector housings - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen solarthermischen Flachkollektor, insbesondere einen Flachkollektor, bei dem eine transparente Folie im Abstand sowohl zu dem Kollektorabsorber als auch zur Abdeckscheibe angeordnet ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Montage dieser Folie in dem solarthermischen Flachkollektor und einen Montagerahmen zur Durchführung dieses Verfahrens.The present invention relates to a solar thermal flat collector, in particular a flat collector, in which a transparent film is arranged at a distance both to the collector absorber and to the cover. Furthermore, the present invention relates to a method for mounting this film in the solar thermal flat collector and a mounting frame for performing this method.
Solarthermische Flachkollektoren der in Frage stehenden Art bestehen im Wesentlichen aus einem Absorber zur Aufnahme der einfallenden oder einstrahlenden thermischen Energie, wobei dieser Absorber in einem Gehäuse aufgenommen ist, welches eine fensterartige transparente Abdeckung aufweist. Durch die Abdeckung wird im Inneren des Kollektors ein geschlossener Hohlraum definiert, in welchem sich der Absorber befindet, der von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird. An der Rückseite des Absorbers, also an der von der Abdeckung abgewandten Seite, ist in der Regel eine Absorberdämmung vorgesehen.Solar thermal flat collectors of the type in question consist essentially of an absorber for receiving the incident or incident thermal energy, said absorber is accommodated in a housing having a window-like transparent cover. Through the cover, a closed cavity is defined in the interior of the collector, in which the absorber is located, which is flowed through by a heat transfer medium. At the back of the absorber, so on the side facing away from the cover, an absorber insulation is usually provided.
Die gesamten Wärmeverluste eines Absorbers in einem solarthermischen Flachkollektor, bestehend aus Strahlung, Wärmeleitung und Konvektion teilen sich ungefähr im Verhältnis 1:3 oder 1:4 in vorder- und rückseitige Verluste auf. Zur Reduktion der vorderseitigen Verluste ist es bekannt, verschiedene, im solaren Spektrum transparente Trennschichten einzubringen, welche die Konvektion zwischen dem warmen Absorber und der hierzu kälteren Glasscheibe der Abdeckung unterdrücken. Aufgrund der unterdrückten Konvektion werden außer höheren Wirkungsgraden auch höhere Betriebs- sowie Stagnationstemperaturen erreicht. Diese können bis zu 230°C und mehr betragen.The total heat losses of an absorber in a solar thermal flat collector, consisting of radiation, heat conduction and convection are divided approximately in the ratio 1: 3 or 1: 4 in front and back losses. To reduce the losses on the front side, it is known to introduce various separating layers transparent in the solar spectrum which suppress the convection between the warm absorber and the glass pane of the cover which is colder for this purpose. Due to the suppressed convection not only higher efficiencies but also higher operating and stagnation temperatures are achieved. These can be up to 230 ° C and more.
Bei der Anordnung von konvektionsunterdrückenden Trennschichten zwischen Absorber und Glasabdeckung wird in der Regel eine transparente ETFE- oder FEP-Folie verwendet. Problematisch hierbei ist, dass sich aufgrund einer thermischen Ausdehnung während des Betriebs in den Folien bei den bisher bekannten Kollektoren Falten bilden und sogar ein Durchhang der Folie entstehen kann, welche dann den Absorber teilweise berührt. Dies ist sowohl optisch unschön und es kann auch nicht der volle Vorteil einer Konvektionsunterdrückung durch die Foliendämmung erreicht werden, da die Transmission teilweise verringert ist und die Abstände zwischen Folie und Absorber stellenweise zu klein werden. Weiterhin kann Luft seitlich an der Folie vorbei vom Absorber zur Glasabdeckung hin konvektieren, was die Leistung des Kollektors ebenfalls vermindert.In the arrangement of convection-suppressing separation layers between absorber and glass cover is usually a transparent ETFE or FEP film used. The problem here is that form due to thermal expansion during operation in the films in the previously known collectors wrinkles and even a sag of the film may arise, which then partially touches the absorber. This is both visually unattractive and it can not be the full advantage of convection suppression achieved by the film insulation, since the transmission is partially reduced and the distances between film and absorber are locally too small. Furthermore, air can convect laterally past the film from the absorber to the glass cover, which also reduces the performance of the collector.
Es hat in der Vergangenheit nicht an Versuchen und Vorgehensweisen gemangelt, eine als Konvektionsunterdrücker wirkende transparente Folie zwischen der vorderen Glasabdeckung und dem Absorber so anzuordnen, dass die geschilderten Nachteile beseitigt sind.There has been no shortage of attempts and procedures in the past to arrange a transparent film acting as a convective suppressor between the front glass cover and the absorber so that the disadvantages described are eliminated.
Die
Die
Die
In dem
Das
Mit dem Kollektor gemäß dem
Ein weiteres gravierendes Problem stellt die Stabilität des Absorbers dar. Um die Folie faltenfrei bei allen Temperaturen auf Spannung halten zu können, sind Spannungen je nach Foliendicke von bis zu 40 N/mm2 erforderlich. Heutige Kollektoren besitzen Absorber mit Dicken von 0,2 bis 0,5 mm. Beim
Beim
Bei der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, einen solarthermischen Flachkollektor zu schaffen, der die geschilderten Nachteile nicht aufweist, also insbesondere die Anordnung einer transparenten Folie zwischen der Abdeckscheibe und dem Absorber derart erlaubt, dass besagte Folie auch über eine lange Gebrauchsdauer hinweg faltenfrei, ohne Durchhang oder andere Alterserscheinungen montierbar ist. Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Montage einer transparenten Folie in einem solarthermischen Flachkollektor zu schaffen, sowie einen Montagerahmen zur Durchführung dieses Verfahrens.Object of the present invention is in contrast to provide a solar thermal flat collector, which does not have the disadvantages, so in particular the arrangement of a transparent film between the cover and the absorber allowed in such a way that said film wrinkle-free over a long service life away, without sag or other signs of aging can be mounted. Furthermore, it is an object of the present invention to provide a method for mounting a transparent film in a solar thermal flat collector, and a mounting frame for performing this method.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist in dem solarthermischen Flachkollektor die transparente Folie eine vorgespannte Folie, wobei diese vorgespannte Folie zwischen zwei umlaufenden Kontaktflächen von zwei Kollektorteilgehäusen fixiert ist. Die Erfindung ermöglicht somit ohne großen personellen oder materiellen Aufwand den Einbau der transparenten vorderen Folie oder Folienisolation in den Flachkollektor. Vorteilhafterweise kann hierbei der Einbau innerhalb der Serienproduktion in üblichen Produktionsstraßen erfolgen. Die Vorspannung der Folie wird bereits während der Herstellung des Kollektors aufgeprägt, was ein nachträgliches Spannen der Folie, was mit hohen Kosten verbunden und somit unwirtschaftlich wäre, unnötig macht.According to the present invention, in the solar thermal flat collector, the transparent film is a prestressed film, this prestressed film being fixed between two circumferential contact surfaces of two collector part housings. The invention thus enables the installation of the transparent front foil or foil insulation in the flat collector without great human or material expense. Advantageously, in this case the installation within series production in standard production lines. The bias of the film is already impressed during the production of the collector, which makes subsequent stretching of the film, which would be associated with high costs and thus uneconomical, unnecessary.
Die Folie kann bevorzugt in zwei Dimensionen vorgespannt werden, also in einer Ebene beispielsweise in X- und Y-Richtung. Es versteht sich, dass auch eine eindimensionale Vorspannung möglich ist, also z. B. entweder nur in X- oder nur in Y-Richtung. Letztendlich richtet sich die Ein- oder Zweidimensionalität der Vorspannung nach bestimmten Ausgangsparametern, beispielsweise Folienmaterial, zu erwartende Betriebsbedingungen, Größe der von der Folie zu überspannenden Fläche etc.The film can preferably be biased in two dimensions, ie in a plane, for example in the X and Y directions. It is understood that a one-dimensional bias is possible, so z. B. either only in the X or only in the Y direction. Ultimately, the one- or two-dimensionality of the bias depends on certain output parameters, such as film material, expected operating conditions, size of the area to be covered by the film, etc.
Die Folie kann – insbesondere bei einer Vorspannung in zwei Dimensionen – asymmetrisch vorgespannt sein. Auch hierdurch kann bestimmten folien- oder kollektorseitigen Parametern Rechnung getragen werden.The foil may be biased asymmetrically, especially with a bias in two dimensions. This also allows certain foil or collector parameters to be taken into account.
Die Spannung der Folie beträgt im montierten Zustand bevorzugt zwischen 1 und 40 N/mm2. Insbesondere höhere Vorspannungswerte können das Risiko mit sich bringen, dass beispielsweise aufgrund thermischer Schrumpfungen im Betrieb die von der Folie aufgebrachten Zugkräfte zu Kollektorverformungen führen können.The tension of the film in the mounted state is preferably between 1 and 40 N / mm 2 . In particular, higher preload values can entail the risk that, for example due to thermal shrinkage during operation, the tensile forces applied by the film can lead to collector deformations.
Zur Befestigung der vorgespannten Folie zwischen den beiden Kontaktflächen kommt eine Mehrzahl von Techniken in Frage. Beispielsweise kann die Folie verklebt werden. Genauso gut kann die Folie zwischen den Kontaktflächen rein mechanisch befestigt werden, beispielsweise durch eine Klemmung. Die Klemmwirkung kann hierbei durch entsprechende Profile und Gegenprofile seitens der beiden Kontaktflächen intensiviert werden.For fixing the prestressed foil between the two contact surfaces, a multiplicity of techniques is possible. For example, the film can be glued. Just as well, the film between the contact surfaces can be fixed purely mechanically, for example by a clamp. The clamping action can be intensified by appropriate profiles and counter profiles on the part of the two contact surfaces.
Zur Verbindung der beiden Kollektorteilgehäuse miteinander, um die beiden Kontaktflächen in Anlage miteinander zu bringen, wobei die Folie dazwischen angeordnet ist, kommt ebenfalls eine Mehrzahl von Techniken in Frage, beispielsweise eine Verschraubung und/oder Verschweißung und/oder eine Verbindung mittels Klammern und/oder einer Klebung.To connect the two Kollektorteilgehäuse together to bring the two contact surfaces in abutment with the film between them, also comes a variety of techniques in question, such as a screw and / or welding and / or a connection by means of brackets and / or a bond.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Montage einer vorgespannten transparenten Folie in einen solarthermischen Flachkollektor, wobei das Verfahren die Verfahrensschritte aufweist von: a) Fixieren einer transparenten Folie in einem Montagerahmen, dessen Innenabmessungen größer sind als die Außenabmessungen einer ersten umlaufenden Kontaktfläche eines ersten Kollektorteilgehäuses des Flachkollektors; b) Aufspannen der transparenten Folie auf die umlaufende Kontaktfläche durch Relativbewegung zwischen dem Montagerahmen und der Kontaktfläche quer zu der durch die Kontaktfläche aufgespannten Ebene; und c) Fixieren der aufgespannten und damit vorgespannten Folie auf der ersten umlaufenden Kontaktfläche des ersten Kollektorteilgehäuses.The present invention furthermore relates to a method for mounting a prestressed transparent film in a solar thermal flat collector, the method comprising the steps of: a) fixing a transparent film in a mounting frame, the inner dimensions of which are larger than the outer dimensions of a first circumferential contact surface of a first Collector part housing of the flat collector; b) clamping the transparent film on the peripheral contact surface by relative movement between the mounting frame and the contact surface transverse to the plane defined by the contact surface plane; and c) fixing the clamped and thus prestressed film on the first circumferential contact surface of the first collector part housing.
Vorteilhafterweise ist hierbei die Relativbewegung zwischen dem Montagerahmen und der ersten umlaufenden Kontaktfläche quer zu der durch die Kontaktfläche aufgespannten Ebene automatisiert.Advantageously, in this case the relative movement between the mounting frame and the first circumferential contact surface is automated transversely to the plane defined by the contact surface plane.
Das Fixieren der Folie erfolgt bevorzugt durch Aufsetzen eines zweiten Kollektorteilgehäuses mit einer zweiten umlaufenden Kontaktfläche auf die erste umlaufende Kontaktfläche, sodass die vorgespannte Folie zwischen den beiden Kontaktflächen gehalten wird. Das zweite Kollektorteilgehäuse trägt hierbei bevorzugt die äußere transparente Abdeckscheibe.The fixing of the film is preferably carried out by placing a second collector part housing with a second circumferential contact surface on the first circumferential contact surface, so that the prestressed film is held between the two contact surfaces. The second collector part housing in this case preferably carries the outer transparent cover.
Nach Aufsetzen des zweiten Kollektorteilgehäuses wird dieses mit dem ersten Kollektorteilgehäuse verschraubt und/oder verschweißt und/oder mittels Klammern und/oder einer Klebung verbunden.After placing the second collector part housing this is screwed to the first collector part housing and / or welded and / or connected by means of brackets and / or a bond.
Bevorzugt wird nach der Fixierung der Folie diese außerhalb des solarthermischen Flachkollektors abgeschnitten, d. h. vom Außenumfang des Kollektorgehäuses vorstehender Folienüberstand wird entfernt.Preferably, after fixing the film, it is cut off outside the solar thermal flat collector, d. H. The film protrusion projecting from the outer circumference of the collector housing is removed.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Montagerahmen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Montagerahmen umfasst ein erstes ringförmig geschlossenes Rahmenteil, dessen Innenabmessungen größer sind als die Außenabmessungen eines mit der Folienisolation zu bestückenden Flachkollektors und eine Folienfixiereinrichtung zum Fixieren einer transparenten Folie, die die durch den ersten Rahmenteil aufgespannte Ebene überdeckt. Dass die „Innenabmessungen größer sind als die Außenabmessungen eines mit einer vorderen Folienisolation zu bestückenden solarthermischen Flachkollektors” bedeutet letztendlich, dass die lichte Weite des Rahmenteils die Abmessungen am Außenumfang des Flachkollektors (allseitig) übersteigt.The present invention furthermore relates to a mounting frame for carrying out the method according to the invention. The mounting frame comprises a first ring-shaped closed frame part whose inner dimensions are larger than the outer dimensions of a flat collector to be equipped with the film insulation and a film fixing device for fixing a transparent film, which covers the plane defined by the first frame part plane. The fact that the "inner dimensions are larger than the outer dimensions of a solar thermal flat collector to be equipped with a front foil insulation" ultimately means that the clear width of the frame part exceeds the dimensions on the outer circumference of the flat collector (on all sides).
Die Folienfixiereinrichtung zum Fixieren der transparenten Folie umfasst bevorzugt ein zweites ringförmig geschlossenes Rahmenteil, dessen Abmessungen so gewählt sind, dass sich zwischen den beiden Rahmenteilen zwei aufeinander zu weisende Kontaktflächen ergeben. Die transparente Folie kann dann zwischen den beiden Rahmenteilen an den beiden Kontaktflächen eingeklemmt werden, was eine besonders schnelle und der Automatisierung zugängliche Befestigungsmöglichkeit der Folie am Rahmen darstellt. Zur Verbesserung der Haltekräfte können die Kontaktflächen zueinander eingriffskomplementäre Profilierungen aufweisen.The film fixing device for fixing the transparent film preferably comprises a second annularly closed frame part, the dimensions of which are selected such that two contact surfaces facing each other result between the two frame parts. The transparent film can then be clamped between the two frame parts on the two contact surfaces, which is a particularly fast and the automation represents accessible attachment possibility of the film on the frame. To improve the holding forces, the contact surfaces may have engagement complementary profiles to each other.
Die Folienfixiereinrichtung kann eine Verbindung der Folie mit dem ersten Rahmenteil auch durch eine Verklebung, eine Verschraubung, mittels Nägeln, Haltekrallen oder Nieten vornehmen.The Folienfixiereinrichtung can make a connection of the film with the first frame part by a bond, a screw, by means of nails, holding claws or rivets.
Zumindest eines der beiden Rahmenteile besteht zumindest teil- oder abschnittsweise aus Metall oder Kunststoff oder Holz.At least one of the two frame parts is at least partially or partially made of metal or plastic or wood.
Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung.Further details, aspects and advantages of the present invention will become more apparent from the following description with reference to the drawing.
In den stark vereinfachten schematischen einzelnen Figuren der Zeichnung zeigt:In the highly simplified schematic individual figures of the drawing shows:
Ein in der Zeichnung insgesamt mit
Das zweite Gehäuse
Das erste Gehäuse
Der Absorber
Zwischen dem Absorber
Beim Zusammenbau des Kollektors wird das zweite Gehäuse
Zur Vermeidung von Konvektionsverlusten von dem (heißen) Absorber
Beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird hierzu ein Montagerahmen
Mit anderen Worten, der Montagerahmen
Die Folie
Besonders bevorzugt wird für den Montagerahmen
Ein derartiges oder ähnliches Verzahnungsprofil kann auch an den Kontaktflächen
Die Verbindung zwischen den beiden Rahmenteilen
Sobald die Folie
Je nach Relativlage des Montagerahmens
Nach Erreichen der vorbestimmten Vorspannung in der Folie
Im Anschluss daran werden die beiden Gehäuse
Gemäß
Eine asymmetrische Spannung in der Folie
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- 2013-05-10 DE DE102013208608.3A patent/DE102013208608B3/en active Active
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