DE102019008211A1

DE102019008211A1 - Device and method for the caloric detection of solar radiation energy

Info

Publication number: DE102019008211A1
Application number: DE102019008211.7A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2021-05-27

Abstract

Kurzfassung der in der Anmeldung enthaltenen OffenbarungVorrichtung und Verfahren der solaren Energieerfassung und Wärmebereitstellung mit variabler Optimierung des Betriebs und/ oder des Exergieniveaus des Energieertrages. Innerhalb einer Kavität werden erfindungsgemäß neuartig geformte V-förmige Lamellen als Absorber eingesetzt. Die Lamellen werden als Lamellenrohrwärmeübertrager zu einem Absorber (1) zusammengefügt. Die Kavität wird als fest im oder auf dem Dachspiegel montierbares flaches oder aber drehbares, vorzugsweise röhrenartiges Gehäuse gebildet. Die Gehäuse bestehen ganz oder teilweise aus, im Wellenlängenbereich der energieintensiven solaren Strahlung transparentem Material. Zur Betriebsoptimierung wird/ werden ein oder mehrere in Reihe geschaltete Kollektore (0), optional eine individuelle oder kollektive Drehvorrichtung, die betriebsabhängige Evakuierung der Kollektorkavität, die optionale betriebsabhängige Verschattung, die Regelung des Wärmeträgerkapazitätsstromes, sowie die automatisierte regelmäßige Reinigung und Freisetzung der solaren Einfallsfläche als Teil der Vorrichtung betrieben. Die Erfindung erweitert zur Wärmeversorgung eines Objektes den möglichen monovalenten Wärmeversorgungsbetrieb in Bereiche strengerer winterlicher Betriebsbedingungen und liefert zu sommerlichen Zeiten optional besonders hohe Wärmeträgertemperaturen.Summary of the disclosure contained in the application Device and method of solar energy acquisition and heat supply with variable optimization of the operation and / or the exergy level of the energy yield. According to the invention, novel V-shaped lamellae are used as absorbers within a cavity. The lamellas are joined together as lamellar tube heat exchangers to form an absorber (1). The cavity is formed as a flat or rotatable, preferably tubular, housing that can be fixedly mounted in or on the roof mirror. The housings consist entirely or partially of material that is transparent in the wavelength range of the energy-intensive solar radiation. To optimize operation, one or more collectors (0) connected in series, optionally an individual or collective rotating device, the operation-dependent evacuation of the collector cavity, the optional operation-dependent shading, the regulation of the heat transfer capacity flow, as well as the automated regular cleaning and release of the solar incident surface as Part of the device operated. In order to supply heat to an object, the invention extends the possible monovalent heat supply operation in areas of more severe winter operating conditions and optionally supplies particularly high heat transfer temperatures in summer times.

Description

Weltweite Anstrengungen den fossilen Energiebedarf zur Vermeidung des Klimawandels deutlich zu senken, führen unter anderem in mittleren und hohen Breiten zur Fokussierung auf die Wohn- und Nichtwohngebäude, die bislang einen hohen Anteil am fossilen Energiebedarf einnehmen. Es ist bekannt, dass gut gedämmte, luftdichte Objekte ihren Bedarf zur Heizung und Kühlung komplett aus der das Objekt treffenden solaren Strahlung decken können. Dazu müssen einerseits ein Großteil der bestrahlten Objektfläche zur aktiven solaren Erfassung und deren Betrieb vorteilhaft vor allem auch in strenge winterliche Bedingungen ausgedehnt, sowie anderseits korrelierende ausreichende Speicherkapazitäten zur Überbrückung auch längerer bestrahlungsarmer Zeiten effektiv und effizient in die Objekttechnik integriert werden. Solarthermiekollektoren, deren Betrieb, sowie deren Anbindung an die Wärmespeicherung des zu versorgenden Objektes sind Gewerke, die die vorliegende Erfindung unter energetischer und exergetischer Optimierung vereint.Global efforts to significantly reduce the fossil energy requirement to avoid climate change lead, among other things, in middle and high latitudes to a focus on residential and non-residential buildings, which up to now have made up a high proportion of fossil energy requirements. It is known that well-insulated, airtight objects can completely cover their heating and cooling needs from the solar radiation that hits the object. On the one hand, a large part of the irradiated object area for active solar detection and its operation must be expanded, especially in severe winter conditions, and on the other hand, correlating sufficient storage capacities to bridge even longer periods of low irradiation must be effectively and efficiently integrated into the object technology. Solar thermal collectors, their operation and their connection to the heat storage of the object to be supplied are trades that the present invention combines with energetic and exergetic optimization.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur solaren Energieerfassung und ein Verfahren zur Betriebsoptimierung der damit ausgerüsteten Kollektoren; realisiert als Absorber innerhalb einer Kavität, optional im oder auf dem Dachspiegel installierten, unbeweglichen, flachen Gehäuse; optional realisiert im drehbaren vorzugsweise röhrenartigen Gehäuse, drehbar in Richtung der solaren Einstrahlung. Die Gehäuse werden mindestens teilweise durch eine oder mehrere im Wellenlängenbereich der energiereichen solaren Intensität transparenten planen oder vorzugsweise kreisrunden Scheibe, beziehungsweise Röhre gebildet. Die Röhre ist beidseitig an den Stirnseiten durch gedämmte druckfeste Deckel luftdicht verschlossen. Die Gehäuse sind ein- oder beidseitig mit Ein- und Ausgängen der Absorberkanäle zum Ein- und Ausführen des Wärmeträgermediums, sowie optional mit Ein- und Ausgängen zur Füllung und Evakuierung der Kavität versehen.The invention relates to a device for solar energy acquisition and a method for optimizing the operation of the collectors equipped therewith; realized as an absorber within a cavity, optionally installed in or on the roof mirror, immovable, flat housing; optionally realized in a rotatable, preferably tube-like housing, rotatable in the direction of the solar irradiation. The housings are at least partially formed by one or more planar or preferably circular discs or tubes that are transparent in the wavelength range of the high-energy solar intensity. The tube is hermetically sealed on both sides by insulated pressure-resistant covers. The housings are provided on one or both sides with inlets and outlets of the absorber channels for the inlet and outlet of the heat transfer medium, and optionally with inlets and outlets for filling and evacuating the cavity.

Stand der TechnikState of the art

Neben der Photovoltaik zur Gewinnung von Strom hat sich die Solarthermie zur Bereitstellung von Wärme aus der solaren Einstrahlung breitflächig etabliert.In addition to photovoltaics for generating electricity, solar thermal systems for providing heat from solar radiation have become widely established.

Bekannt sind im Wesentlichen zwei Typen von Solarkollektoren, so genannte Flach- und Vakuumröhrenkollektoren. Bei den Vakuumröhrenkollektoren befindet sich der Absorber in der evakuierten oder teilevakuierten Kavität der Röhre. Oftmals werden mehrere Röhren parallel an einen Sammler geschaltet und betrieben. Der Absorber eines Flachkollektors besteht oftmals aus einem Absorberblech, durchzogen mit wärmeleitenden Rohren zur Übergabe der Wärme an den Wärmekapazitätsstrom. Anders als bei den Vakuumröhrenkollektoren, bei denen das Vakuum die Funktion der Dämmung erfüllt, wird der Absorber in Flachkollektoren an den Seiten durch Dämmstoffe zur Minderung von Wärmeverlusten gedämmt. Die Patentschrift AT344375 beschreibt den Aufbau eines Gehäuses, welches oben durch eine transparente Platte und auf der Unterseite mit einer Wärmedämmung versehen ist.There are essentially two types of solar collectors known, so-called flat and vacuum tube collectors. In the case of vacuum tube collectors, the absorber is located in the evacuated or partially evacuated cavity of the tube. Often several tubes are connected and operated in parallel to one collector. The absorber of a flat-plate collector often consists of an absorber sheet, through which heat-conducting pipes are used to transfer the heat to the heat capacity flow. In contrast to vacuum tube collectors, in which the vacuum fulfills the function of insulation, the absorber in flat-plate collectors is insulated on the sides by insulating materials to reduce heat loss. The patent specification AT344375 describes the structure of a housing which is provided with a transparent plate on top and with thermal insulation on the underside.

Einfluss auf den Kollektorwirkungsgrad nimmt in besonderem Umfang die Wärmedämmung. Einige Kollektore, besonders aber die Vakuumflach- und Vakuumröhrenkollektoren nutzen das Nahezu- Vakuum zur Unterbindung der Konvektion. Die Patentschrift DE000010338483A1 weist in diesem Zusammenhang auf die Möglichkeit zur Schaffung eines Vakuums durch Abpumpen hin. Kollektore mit evakuierten Kavitäten zur Wärmedämmung verfügen über deutlich, nicht selten 20% höhere Kollektorwirkungsgrade.The thermal insulation has a particular influence on the collector efficiency. Some collectors, but especially the vacuum flat and vacuum tube collectors, use the near vacuum to prevent convection. The patent specification DE000010338483A1 refers in this context to the possibility of creating a vacuum by pumping out. Collectors with evacuated cavities for thermal insulation have a significantly, often 20% higher collector efficiency.

Während die Absorber von Flachkollektoren in vielen Fällen von einem Wärmekapazitätsstrom auf der Basis von Wasser und Glykol durchströmt werden, wird bei einer Vielzahl von Vakuumröhrenkollektoren ein Kältemittel am Absorber verdampft, welches im oberen Bereich der Röhre die latente Wärme durch Kondensation über einen Wärmeübertrager in einem Sammler an den eigentlichen Wärmekapazitätsstrom übergibt. Als Wärmekapazitätsstrom wird im Sammler ebenfalls meist ein Wasser- Glykolgemisch zur Übernahme und zum Abtransport der Wärme verwandt. Das Prinzip wird auch als Wärmerohr (Heat Pipe) bezeichnet.While the absorbers of flat-plate collectors are in many cases flowed through by a heat capacity flow based on water and glycol, in a large number of vacuum tube collectors a refrigerant is evaporated on the absorber, which in the upper area of the tube removes the latent heat through condensation via a heat exchanger in a collector passes to the actual heat capacity flow. A water-glycol mixture is also usually used as the heat capacity flow in the collector to take over and remove the heat. The principle is also known as a heat pipe.

Bekannt ist, dass der Wirkungsgrad der Kollektoren fast in linearem Zusammenhang zu der Temperaturdifferenz von Kollektor- und Umgebungstemperatur steht. Aufgrund der besseren Wärmedämmung durch das Vakuum verläuft die Kurve der Vakuumröhren- Kollektoren flacher als jene der Flachkollektore. Allen Kollektoren gemein ist die Zunahme der Effizienz mit abnehmender Temperaturdifferenz und damit abnehmendem Wärmeverlust und größerer Strahlungstemperaturdifferenz. Der zusätzliche Wärmeübertragungsprozess im Sammler der Vakuumröhrenkollektoren beschert diesen bei niedrigen Temperaturdifferenzen einen verringerten Wirkungsgrad, oft unterhalb jener der Flachkollektoren. 10 verdeutlicht diesen Sachverhalt schematisch.It is known that the efficiency of the collectors is almost linearly related to the temperature difference between the collector and the ambient temperature. Due to the better thermal insulation through the vacuum, the curve of the vacuum tube collectors is flatter than that of the flat plate collectors. What all collectors have in common is the increase in efficiency with decreasing temperature difference and thus decreasing heat loss and greater radiation temperature difference. The additional heat transfer process in the collector of the evacuated tube collectors gives them a reduced efficiency at low temperature differences, often below that of the flat-plate collectors. 10 illustrates this situation schematically.

Die Verwendung von Rippenrohren als Absorber ist eine vereinzelt beschriebene Möglichkeit der Wärmeaufnahme und Übergabe. Das Gebrauchsmuster ( DE202013102828U1 ) schlägt die Verwendung eines Solar-Rippenrohres vor. Auch das Gebrauchsmuster DE000020215126U1 weist auf die Verwendung von einzelnen Rippenrohren zur solaren Wärmeaufnahme hin und begründet dies mit der durch die Rippen erhöhten Fläche zur solaren Erfassung. DE000008015430U1 argumentiert mit einem spiralförmig ausgebrachten einzelnen Rippenrohr, welches sich durch Fläche und Orientierung den solaren Einstrahlwinkeln bessern anzupassen vermag. Dass dabei ein Großteil der Rippenrohrspirale immer ungünstig zur einfallenden Strahlung orientiert ist und damit zwangsläufig Erfassungsverluste unvermeidbar sind, wird nicht diskutiert. Das Gebrauchsmuster argumentiert damit, dass Reflexionen weitgehend durch die Verwendung des Rippenrohres vermieden werden. Ebenfalls benennt die Offenbarung DE000003246919A1 die Möglichkeit, ein Rippenrohr zur Wärmegewinnung der solaren Strahlung direkt oder aber der indirekt erwärmten Luft bestrahlter Räume, beispielsweise dem Dachstuhl, auszusetzen. Die Patentschrift AT344375 beschreibt einen Solarkollektor, der eine Kombination eines berippten Rohres mit einer Reflektorrinne mit den Ziel vereint, direkte und diffuse Strahlung nicht durch Reflexion anteilig zu verlieren und möglichst starr und unabhängig vom Einstrahlwinkel operieren zu können.The use of finned tubes as absorbers is an occasionally described way of absorbing and transferring heat. The utility model ( DE202013102828U1 ) suggests the use of a solar finned tube. Also the utility model DE000020215126U1 refers to the use of individual finned tubes for solar heat absorption and justifies this with the increased area for solar detection due to the ribs. DE000008015430U1 argues with a spiral-shaped single finned tube, which is better able to adapt to the solar angles of incidence through surface and orientation. The fact that a large part of the finned tube spiral is always unfavorably oriented to the incident radiation and therefore inevitably loss of detection is not discussed. The utility model argues that reflections are largely avoided by using the finned tube. Revelation also names DE000003246919A1 the possibility of exposing a finned tube to the heat recovery of the solar radiation directly or the indirectly heated air of irradiated rooms, for example the roof structure. The patent specification AT344375 describes a solar collector which combines a ribbed tube with a reflector channel with the aim of not losing direct and diffuse radiation proportionately through reflection and being able to operate as rigidly as possible and independently of the angle of incidence.

Darüber hinaus ist bekannt, dass zwischen zwei unendlichen parallelen grauen Lambertschen- Platten der Strahlengang so oft reflektiert wird, bis dieser letztendlich vollkommen absorbiert ist. Das Fachbuch Wärme- und Stoffübertragung weist auf diesen Sachverhalt auf Seite 608 hin. Gleichermaßen ist bekannt, dass zur Annäherung an die Absorptionseigenschaften des schwarzen Körpers der isotherme Hohlraum mit kleiner Einstrahlöffnung verwandt wird. Auch hierauf weist die Publikation „Wärme- und Stoffübertragung“ auf Seite 543 hin.In addition, it is known that the beam path is reflected so often between two infinite parallel gray Lambertian plates that it is ultimately completely absorbed. The textbook Heat and Mass Transfer refers to this fact on page 608. It is also known that the isothermal cavity with a small irradiation opening is used to approximate the absorption properties of the black body. The publication “Heat and mass transfer” on page 543 points to this as well.

Bekannt sind ebenfalls Systeme, welche durch Reflexion die Strahlung erfassen und zum Teil mehrmalig bis zum Erreichen der im Fokus der Reflexion befindlichen Rohrleitung und damit der Übernahme der Wärme durch ein Wärmeträgerfluid umlenken. Die Patentschrift AT344375 beschreibt ein System, welches die Reflexion und damit Abstrahlung der eintreffenden Sonnenstrahlung unter variablen Einstrahlwinkeln verhindern soll.Systems are also known which detect the radiation by reflection and, in some cases, deflect it several times until the pipeline located in the focus of the reflection is reached and thus the heat is taken over by a heat transfer fluid. The patent specification AT344375 describes a system which is intended to prevent the reflection and thus radiation of the incoming solar radiation at variable angles of incidence.

Bekannt ( DE202013102828U1 ) ist ein Solarkollektor mit einer Rohrleitung von vorzugsweise 30 mm oder mehr, welche von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird. Auch wird auf übliche Rohrdurchmesser von Röhrenkollektoren im Bereich von 20-22 mm hingewiesen. Es wird in dem Gebrauchsmuster darauf hingewiesen, dass durch die Menge des Wärmeträgermediums bei Nutzung eines Rohres mit größeren Durchmessers Einfluss auf eine geringere Temperaturerhöhung des Mediums bei ansonst gleichen Randbedingungen genommen werden kann. Das Gebrauchsmuster weist zu Recht daraufhin, dass durch das niedrigere Temperaturniveau Wärmetransferverluste zu reduzieren und damit der Wirkungsgrad eines Kollektors üblicherweise zu erhöhen ist.Known ( DE202013102828U1 ) is a solar collector with a pipe of preferably 30 mm or more through which a heat transfer medium flows. Reference is also made to the usual tube diameters of tube collectors in the range of 20-22 mm. It is pointed out in the utility model that the amount of heat transfer medium when using a pipe with a larger diameter can influence a lower temperature increase of the medium with otherwise the same boundary conditions. The utility model rightly points out that the lower temperature level reduces heat transfer losses and thus usually increases the efficiency of a collector.

Große Absorberrohre führen zu niedrigen Wärmeträgerfluidgeschwindigkeiten und damit zu niedrigen Wärmeübergangskoeffizienten. Dem können in den Rohren geführte Drall- und Turbulenzerzeuger entgegenwirken, die einerseits die Geschwindigkeit und anderseits die Turbulenz und damit die Konvektion erhöhen. Die Patentschriften DE000010338483A1 und DE000019710803A1 erwähnen zur Verbesserung des Wärmeübergangs Verwirbelungseinrichtungen in Form von Drall- und Spiralrohren, die innenseitig in das Absorberrohr eingebracht werden.Large absorber tubes lead to low heat transfer fluid speeds and thus to low heat transfer coefficients. Swirl and turbulence generators guided in the pipes can counteract this, which on the one hand increases the speed and on the other hand increases the turbulence and thus the convection. The patents DE000010338483A1 and DE000019710803A1 mention swirling devices in the form of swirl and spiral pipes, which are introduced into the absorber pipe on the inside, to improve the heat transfer.

Durch die zyklisch deutlich schwankenden Temperaturen erfahren vor allem die metallischen Absorber deutlich veränderliche Wärmeausdehnungen, die ohne Kompensation zu Spannungen und Schäden führen können. Es ist bekannt die Absorber aus diesem Grund einseitig mit den Medienleitungen versorgt zu installieren, so dass die Wärmeausdehnung ohne Spannungsaufbau erfolgt. Dazu wird Vor- und Rücklauf in U-Form oder aber in der Ausführung Rohr- in Rohr geführt. Die Offenbarung DE000010338483A1 erwähnt die oben genannte Führung der Medien.Due to the clear cyclical fluctuations in temperatures, the metallic absorbers in particular experience significantly variable thermal expansions which, without compensation, can lead to tension and damage. For this reason, it is known to install the absorber supplied on one side with the media lines, so that the thermal expansion takes place without a build-up of tension. For this purpose, the flow and return are routed in a U-shape or in the pipe-in-pipe design. The revelation DE000010338483A1 mentions the aforementioned leadership of the media.

Zur Einflussnahme auf die optischen Eigenschaften der transparenten Abdeckung ist die Verwendung einer selektiven Beschichtung mit unterschiedlichen Absorptionsgraden bekannt, die beispielsweise die langwellige Strahlung durch geringe Transmissionsgrade teilweise zurückzuhalten vermag. Auch ist die Verwendung unterschiedlicher Glasarten üblich, wie beispielsweise eisenarmes Solarsicherheitsglas, das sich durch einen hohen Transmissionskoeffizienten im kurzwelligen Spektralbereich auszeichnet, während es im Infrarotbereich der Absorberabstrahlung kaum Wärmestrahlung passieren lässt.In order to influence the optical properties of the transparent cover, it is known to use a selective coating with different degrees of absorption, which, for example, is able to partially hold back the long-wave radiation through low degrees of transmission. It is also common to use different types of glass, such as low-iron solar safety glass, which is characterized by a high transmission coefficient in the short-wave spectral range, while hardly any heat radiation can pass in the infrared range of the absorber radiation.

Zur bestmöglichen Ausnutzung der einfallenden Strahlung ist es unvorteilhaft die Absorberfläche nicht orthogonal zu bestrahlen. In diesem Fall reduzieren sich unweigerlich die bestrahlte orthogonal zum Strahl ausgerichtete Fläche und damit das Ertragspotential. Bei besonders flachen Einstrahlwinkeln zur Absorberparallelen verschlechtern hohe Reflexionsgrade den Ertrag. Die Patentschrift DE000010338483A1 weist in diesem Zusammenhang auf die Möglichkeit der Absorberausrichtung und Nachführung hin. Vielfältige Systeme nutzen diese Möglichkeit. Auch die Offenbarung DE000003213084A1 weist auf die Vorzüge des Ausrichtens des Absorbers, bzw. Kollektors, vorzugsweise orthogonal zur einfallenden Strahlung hin.For the best possible utilization of the incident radiation, it is disadvantageous not to irradiate the absorber surface orthogonally. In this case, the irradiated area, which is orthogonal to the beam, is inevitably reduced, and thus the potential yield. With particularly flat angles of incidence to the absorber parallel, high degrees of reflection worsen the yield. The patent specification DE000010338483A1 refers in this context to the possibility of absorber alignment and tracking. Diverse systems use this possibility. Revelation too DE000003213084A1 indicates the advantages of aligning the absorber or collector, preferably orthogonally to the incident radiation.

Kollektore, die über Reflektoren die reflektierende Strahlung einer Fläche auf eine kleinere Fläche im Brennpunkt abbilden, erzeugen durch erhöhte Strahlungsintensitäten höhere Temperaturen des Wärmeträgerfluids. Sofern diese höher exergetischen Energien nicht benötigt werden weisen die Kollektoren mit integrierten Reflektoren Nachteile auf. Höhere Temperaturen sind einerseits mit der Abnahme der Kollektoreffizienz verbunden, andererseits kann es bei Ausfall des Wärmeträgerumlaufs zur Überhitzung und damit zur Beschädigung des Absorbers kommen. Die Offenlegung DE000003213084A1 berichtet in diesem Zusammenhang.Collectors, which use reflectors to map the reflective radiation from a surface onto a smaller surface at the focal point, generate higher temperatures of the heat transfer fluid due to increased radiation intensities. If these higher exergetic energies are not required, the collectors with integrated reflectors have disadvantages. On the one hand, higher temperatures are associated with a decrease in collector efficiency; on the other hand, failure of the heat transfer medium can lead to overheating and thus damage to the absorber. Disclosure DE000003213084A1 reported in this context.

Verschaltungen, die bei Ausfall der Wärmeträgerumwälzung einen Betrieb der Kollektoren ohne Wärmeabgabe ermöglichen, so dass eine Wiederinbetriebnahme der Umwälzung ohne Eingriff möglich ist, werden als eigensicher (Eigensicherheit der Anlage) bezeichnet. Die Offenbarung DE102006009112A1 zitiert eine Vielzahl von literarischen Quellen, welche unterschiedliche Konzepte zur Eigensicherheit von Solarthermieanlagen aufzeigen.Interconnections that enable the collectors to operate without heat dissipation if the heat transfer medium fails, so that the circulation can be restarted without intervention, are referred to as intrinsically safe (intrinsic safety of the system). The revelation DE102006009112A1 cites a large number of literary sources which show different concepts for the intrinsic safety of solar thermal systems.

Zur Absicherung der Auswirkungen gegen eine Implosion einer sich im Nahezu- oder Vakuum befindlichen Kavität ist die Verwendung einer bevorzugt außen aufgebrachten Folie bekannt, die beim Implodieren verhindert, dass Bruchstücke aufgrund ihres Impulses zur Gefahr werden. Die Folie hilft diese Bruchstücke wirksam zurückzuhalten. Ein ähnliches System ist von Autoglasscheiben bekannt, die allerdings zwei Scheiben und eine dazwischen befindliche Folie zur Minderung der Folgen beim Bersten der Scheiben verwenden.In order to safeguard the effects against an implosion of a cavity that is close to or in a vacuum, the use of a preferably externally applied film is known which, when imploding, prevents fragments from becoming a danger due to their impulse. The film effectively helps hold back these fragments. A similar system is known from automobile glass panes, which, however, use two panes and a film in between to reduce the consequences if the panes burst.

Mängel der bisher bekannten AusführungenDefects of the previously known designs

Während Flachkollektoren bei hohen Temperaturdifferenzen niedrigere Effizienzen der Wärmebereitstellung ausweisen, verlieren Vakuumröhrenkollektoren bei niedrigen Temperaturdifferenzen aufgrund des zusätzlichen Wärmeübergangs vom Wärmerohr auf den Sammler an Effizienz. Gerade aber im Winter mit niedrigeren Intensitäten der solaren Einstrahlung und daher niedrigerer Kollektortemperatur kommt der Kollektoreffizienz zur Verlängerung der monovalenten Deckung des Heizwärmebedarfs Bedeutung zu. Vakuumröhrenkollektoren mit Wärmerohrtechnik sind verhältnismäßig unflexibel im Betrieb durch die fest vorgegebenen Verdampfungstemperaturen in Abhängig vom Kältemittel, des Druckaufbaus und eines möglichen gleitenden Bereichs durch zusammengesetzte Kältemittel.While flat-plate collectors show lower heat supply efficiencies at high temperature differences, vacuum tube collectors lose efficiency at low temperature differences due to the additional heat transfer from the heat pipe to the collector. But especially in winter with lower intensities of solar irradiation and therefore lower collector temperatures, collector efficiency is important for extending the monovalent coverage of the heating demand. Evacuated tube collectors with heat pipe technology are relatively inflexible in operation due to the fixed specified evaporation temperatures depending on the refrigerant, the pressure build-up and a possible sliding range due to composite refrigerants.

Die Effizienz der Kollektoren wird darüber hinaus nachteilig von Schmutzablagerungen oder Schneefall beeinflusst.The efficiency of the collectors is also adversely affected by dirt deposits or snowfall.

Nicht orthogonal ausgeleuchtete lichte Absorberquerschnitte reduzieren die erfasste solare Strahlungsfläche und damit die maximal mögliche zu erfassende solare Energie. Dieser Umstand ist besonders gravierend in den frühen und späten Stunden des Tageslichtganges nach Sonnenaufgang und vor Sonnenuntergang.Light absorber cross-sections that are not orthogonally illuminated reduce the recorded solar radiation area and thus the maximum possible solar energy to be recorded. This fact is particularly serious in the early and late hours of daylight after sunrise and before sunset.

Besonders bei hohen Strahlungsintensitäten im Sommer kommt der Eigensicherheit der Anlage bei Ausfall der Wärmeträgerumwälzung eine sicherheits- und kostenrelevante Bedeutung zu.Particularly with high radiation intensities in summer, the intrinsic safety of the system in the event of failure of the heat transfer medium is of importance in terms of safety and costs.

Der Großteil der gängigen am Markt verfügbaren Kollektoren integriert sich nicht harmonisch in die Dachspiegel der Häuser, sondern wird in der Regel plump oberhalb der Dachpfannen installiert. Der Kollektor ist im Erscheinungsbild der Dächer in der Regel ein Fremdkörper.Most of the common collectors available on the market do not integrate harmoniously into the roof mirrors of the houses, but are usually installed clumsily above the roof tiles. The collector is usually a foreign body in the appearance of the roof.

Technische Probleme im Fokus der ErfindungTechnical problems in the focus of the invention

Im Fokus der Erfindung ist die Steigerung der Effizienz der Wärmebereitstellung der Solarthermiekollektoren zur Ausdehnung der monovalenten Betriebsdauer für die verbesserte Deckung der winterlichen Heizlast. Dabei wird bewusst auf die Versorgung neuer oder sanierter Gebäude fokussiert, welche auf deutlich niedrigerem Temperaturniveau die Wärme in die Wohnräume transportieren. Es wird besonders der Wirkungsgradverlust mit zunehmender Temperaturspreizung und/ oder aufgrund mehrfacher Wärmeübertragungsprozesse fokussiert. Es liegt die Harmonisierung der Kollektoren mit der niedrigen exergetischen Betriebsweise moderner Häuser im Blickpunkt der Erfindung.The focus of the invention is to increase the efficiency of the heat supply of the solar thermal collectors in order to extend the monovalent operating time for the improved coverage of the winter heating load. The focus is on supplying new or refurbished buildings, which transport heat into living spaces at a significantly lower temperature level. The loss of efficiency with increasing temperature spread and / or due to multiple heat transfer processes is particularly focused. The invention focuses on the harmonization of the collectors with the low exergetic mode of operation of modern houses.

Neben der Prozessoptimierung des Kollektors selbst fokussiert die Erfindung auf die bestmögliche Ausnutzung der einfallenden Strahlung. Eine Abweichung zur bestmöglichen Ausnutzung der einfallenden Strahlung liegt vor, wenn die Absorberfläche nicht orthogonal bestrahlt wird. In diesem Fall reduzieren sich unweigerlich die abgebildete Strahlfläche und damit das mögliche Ertragspotential des reduzierten Produktes von Strahlintensität und Strahlfläche. Bei besonders flachen Einstrahlwinkeln zur Absorberparallelen verschlechtern erhöhte Reflexionsgrade den relativen Ertrag obendrein.In addition to the process optimization of the collector itself, the invention focuses on the best possible utilization of the incident radiation. There is a deviation from the best possible utilization of the incident radiation if the absorber surface is not irradiated orthogonally. In this case, the imaged jet area is inevitably reduced and thus the possible yield potential of the reduced product of jet intensity and jet area. In the case of particularly flat angles of incidence to the parallel of the absorber, increased degrees of reflection also worsen the relative yield.

Zur Prozessoptimierung fokussiert die Erfindung zunächst auf einen niedrig exergetisch und hocheffizient solare Wärme aufnehmenden Absorber. Die Integration des neuen Absorbers in die als Teil der Erfindung beschriebene Apparatur fokussiert darauf, den Vorteil des direkten Wärmeübergangs und der niedrigen Temperaturdifferenz von Kollektor- zu Umgebungstemperatur des Flachkollektors mit den Vorteilen der hocheffizienten Wärmedämmung des Vakuumröhrenkollektors bestmöglich zu verbinden.To optimize the process, the invention initially focuses on an absorber that absorbs solar heat with a low level of exergy and is highly efficient. The integration of the new absorber in the apparatus described as part of the invention focuses on the advantage of the direct heat transfer and the low temperature difference between the collector and the ambient temperature of the flat plate collector with the advantages of the highly efficient To connect the thermal insulation of the vacuum tube collector in the best possible way.

Darüber hinaus offeriert die Erfindung die optionale Möglichkeit den Betrieb des Kollektors derart zu optimieren, dass nachteilige Einflüsse des Sonnenstandes und des Wetters geringstmöglichen Einfluss ausüben.In addition, the invention offers the optional possibility of optimizing the operation of the collector in such a way that adverse influences of the position of the sun and the weather exert the least possible influence.

Im zur Vorrichtung zugehörigen Verfahren fokussiert die Erfindung auf die Kopplung des Kollektors mit der objektinternen Speicherung von Wärme zum Ausgleich der fluktuierenden erneuerbaren Wärmebereitstellung.In the method associated with the device, the invention focuses on the coupling of the collector with the object-internal storage of heat to compensate for the fluctuating renewable heat supply.

Schlussendlich ermöglicht die Ausprägung der Erfindung eine harmonische Integration in das Dachbild und damit eine mögliche Steigerung der Akzeptanz zur Nutzung erneuerbarer Energien.Ultimately, the development of the invention enables a harmonious integration into the roof image and thus a possible increase in acceptance for the use of renewable energies.

Mittel zur Lösung der technischen ProblemeMeans of solving the technical problems

Ziel eines Absorbers ist das möglichst vollständige Erfassen der solaren Strahlung. Dies wird in der Regel durch hohe Absorptionskoeffizienten und Mehrfachreflexion realisiert.The aim of an absorber is to capture the solar radiation as completely as possible. This is usually achieved through high absorption coefficients and multiple reflections.

Die vorliegende Erfindung macht sich den Sachverhalt zu nutze, dass der Strahlengang zwischen zwei parallelen unendlichen grauen Platten letztendlich unabhängig vom Absorptionskoeffizienten vollständig absorbiert wird. In wirtschaftlich vertretbarer Weise bieten Lamellenrohrwärmeübertrager parallele wärmeleitende Platten, üblicherweise auch als Rippen bezeichnet, sowie im Presssitz mit den Lamellen verbundene Rohre zu Führung des die Wärme abtransportierenden Wärmeträgermediums. Die Lamellen werden vorzugsweise aus Aluminiumblech und die Rohre aus Kupfer gefertigt. 5 zeigt schematisch einen kleinen nach dem Stand der Technik ausgeführten Lamellenrohrwärmeübertrager in isometrischer Ansicht sowie den Strahlengang zwischen zwei ebenen parallelen Platten. Nun würde allerdings direkt orthogonal zu den Rohren auf den Tauscher treffende Strahlung parallel zu den Lamellen den Tauscher ungehindert passieren. Auch ist zur Annäherung an den schwarzen Körper die Verwendung einer Strahlenfalle bekannt. Erfindungsgemäß wird das Prinzip der parallelen Platten in Kombination mit der Strahlenfalle derart auf den Lamellenwärmeübertrager angewandt, dass alternierend an der Ober- und Unterseite die benachbarten Lamellen vorzugsweise an ihrer äußersten Kante zusammengefügt oder aber vom Band entsprechend gefaltet werden. 1 zeigt einen zum Absorber umgebauten Lamellenrohrwärmeübertrager (1) in drei Zeichnungsansichten sowie isometrischer Darstellung. Der auf diese Weise zum Absorber ertüchtigte Lamellenwärmeübertrager bildet eine komplett oder nahezu geschlossene Fläche und darüber hinaus eine Vielzahl von aneinander gereihten Strahlenfallen, die sich die oben bereits beschriebenen physikalischen Gegebenheiten zunutze machen. 4 zeigt die Funktion der Strahlenfallen am Beispiel zweier Strahlenverläufe. Der Absorber (1) kennt die der Strahlung zugewandten (10) und die der Strahlung abgewandte Seite (1u). Die der Strahlung zugewandte Seite erhält vorteilhafter Weise eine Beschichtung mit hohem Absorptionsgrad. Besonders hohe Absorptions- bzw. Emissionsgrade über 90% weisen beispielsweise Ölfarben auf. Die einzelnen Farben unterscheiden sich nur unwesentlich im Emissionsgrad, so dass die Farbwahl gleichfalls zur optischen Gestaltung zu nutzen ist. Die der Strahlung abgewandten Seite (1u) ist mit möglicht niedrigen Emissionswerten auszustatten. Da Aluminiumblech diese Voraussetzung bereit vorzüglich erfüllt, kann die Unterseite (1u) unbehandelt bleiben. Zusätzlich wird zur Reduktion der Abstrahlung der abgewandten Seite (1u) ein Strahlungsschutz (12) vorgesehen. Niedrigste Emissionswerte bietet Aluminiumblech, welches nah und weitestgehend kontaktlos am Lamellenabsorber auf der abgewandten Seite (1u) und den Seitenlamellen des Lamellenabsorbers angebracht wird. Die Nähe des Strahlungsschutzes (12) zum Lamellenabsorber (1) ermöglicht geringste im Strahlungsaustausch aktive Flächen und damit dessen Minimierung. 6 zeigt den Strahlungsschutz (12) unterhalb und seitlich vom Lamellenabsorber (1). Position (1r) zeigt das die Wärme abführende Rohr. Alternativ zum Einsatz des Strahlungsschirms, vorzugsweise in Kombination mit der evakuierten Kavität, kann gerade bei nicht evakuierter Kavität auch das Ausschäumen oder Auskleiden des Raumes unterhalb des Lamellenabsorbers (1) in Betracht kommen. Im Folgenden soll der Absorber als Lamellenabsorber (1) bezeichnet werden.The present invention makes use of the fact that the beam path between two parallel infinite gray plates is ultimately completely absorbed regardless of the absorption coefficient. In an economically justifiable way, lamellar tube heat exchangers offer parallel heat-conducting plates, usually also referred to as ribs, as well as tubes connected to the lamellas in a press fit for guiding the heat transfer medium. The fins are preferably made of aluminum sheet and the tubes of copper. 5 shows schematically a small lamellar tube heat exchanger designed according to the prior art in an isometric view and the beam path between two flat parallel plates. Now, however, radiation hitting the exchanger directly orthogonally to the pipes would pass the exchanger unimpeded parallel to the fins. It is also known to use a radiation trap to approach the black body. According to the invention, the principle of parallel plates in combination with the radiation trap is applied to the lamellar heat exchanger in such a way that the adjacent lamellae are alternately joined on the top and bottom, preferably at their outermost edge, or are folded accordingly by the band. 1 shows a finned tube heat exchanger converted into an absorber ( 1 ) in three drawing views as well as an isometric representation. The lamellar heat exchanger upgraded to an absorber in this way forms a completely or almost closed surface and, in addition, a large number of juxtaposed radiation traps that make use of the physical conditions already described above. 4th shows the function of the ray traps using the example of two ray paths. The absorber ( 1 ) knows the side facing the radiation (10) and the side facing away from the radiation (1u). The side facing the radiation is advantageously given a coating with a high degree of absorption. Oil paints, for example, have particularly high levels of absorption or emissivity of over 90%. The individual colors differ only insignificantly in terms of emissivity, so that the choice of color can also be used for visual design. The side facing away from the radiation (1u) must be equipped with the lowest possible emission values. Since aluminum sheet already fulfills this requirement excellently, the underside (1u) can remain untreated. In addition, radiation protection ( 12th ) intended. The lowest emission values are provided by aluminum sheet, which is attached to the lamellar absorber close to and largely without contact on the opposite side (1u) and the side lamellas of the lamellar absorber. The proximity of the radiation protection ( 12th ) to the lamellar absorber ( 1 ) enables the smallest areas active in the radiation exchange and thus its minimization. 6th shows the radiation protection ( 12th ) below and to the side of the lamellar absorber ( 1 ). Position (1r) shows the pipe that dissipates the heat. As an alternative to using the radiation shield, preferably in combination with the evacuated cavity, especially when the cavity is not evacuated, foaming or lining the space below the lamellar absorber ( 1 ) be considered. In the following, the absorber is intended as a lamellar absorber ( 1 ) are designated.

Während die Erfassung der solaren Einstrahlung durch die Strahlfallen deutlich profitiert, werden gleichfalls Abstrahlverluste minimiert. Die großen warmen Lamellenflächen verfügen über nur geringe Einstrahlzahlen zur Umgebung und sehen vornehmlich nur ihre gegenüberliegende Lamelle, die sich auf ähnlichem Temperaturniveau befindet. Ein Nettostrahlungstransfer findet kaum statt. Die außen liegenden Kanten der Lamellen nehmen zwar Einstrahlzahlen, zur Abstrahlung in die Kavität, mit Werten gegen 1 tendierend an; jedoch machen sie kaum Fläche aus. Daher ist auch hier ein nur geringer Strahlungstransfer zu berechnen.While the detection of the solar radiation by the beam traps clearly benefits, radiation losses are also minimized. The large, warm lamellar surfaces have only low levels of radiation to the environment and primarily only see their opposite lamella, which is at a similar temperature level. There is hardly any net radiation transfer. The outer edges of the lamellas assume irradiation numbers for radiation into the cavity with values tending towards 1; however, they hardly make up any area. Therefore, only a small amount of radiation transfer has to be calculated here as well.

Der Lamellenabsorber und seine Vielzahl an Rohren benötigt am Vorlauf einen Verteiler und am Rücklauf einen Sammler zum Zusammenführen der einzelnen Wärmekapazitätsströme der Rohre (1r). 2 zeigt einen Lamellenabsorber (1) mit einer auf der Rückseite (1u) geführten Vorlaufleitung (4), einem Verteiler (4), dem Sammler (2) und der Rücklaufleitung. Zur Montage der Absorbereinheit (2) sind einzelne Rippen durch Haltebleche (5) ersetzt. Diese Haltebleche fixieren den Lamellenabsorber, die Vorlaufleitung und die gesamte Absorbereinheit innerhalb einer Kavität zur Wärmedämmung.The lamellar absorber and its multitude of tubes require a distributor on the flow and a collector on the return to merge the individual heat capacity flows of the tubes (1r). 2 shows a lamellar absorber ( 1 ) with a flow line on the back (1u) ( 4th ), a distributor ( 4th ), the collector ( 2 ) and the return line. To assemble the absorber unit ( 2 ) are individual ribs through retaining plates ( 5 ) replaced. These retaining plates fix the lamellar absorber, the flow line and the entire absorber unit within a cavity for thermal insulation.

Erfindungsgemäß können die Lamellenabsorber in Reihe geschaltet und direkt durch die Verbindung der berippten Rohre untereinander verbunden werden. Auf diese Weise kann der Solarthermiekollektor die gesamte Länge des Dachanstiegs zur solaren Erfassung nutzen. 7 zeigt schematisch 3 in Reihe geschaltete Lamellenabsorber (1) und deren Position entlang des Dachanstiegs.According to the invention, the lamellar absorbers can be connected in series and directly connected to one another by connecting the ribbed tubes. In this way, the solar thermal collector can use the entire length of the roof rise for solar detection. 7th shows schematically 3 lamellar absorbers connected in series ( 1 ) and their position along the roof slope.

Den Vorteil des direkten Wärmeübergangs auf das Wärmeträgermedium macht sich der Lamellenabsorber bereits zu nutze. Um gleichzeitig auch über die Vorzüge der hervorragenden Wärmedämmung eines Vakuumröhrenkollektors zu verfügen, sieht die Erfindung vor, die Lamellenabsorbereinheit (2 oder 9) in eine Kavität zu integrieren. Die Kavität muss mindestens in der Größenordnung der solartechnisch bestrahlten Lamellenabsorbereingangsfläche über eine, im Bereich des energieintensiven solaren Wellenlängenspektrums transparente Abdeckung verfügen.The lamellar absorber already makes use of the advantage of the direct heat transfer to the heat transfer medium. In order to have the advantages of the excellent thermal insulation of a vacuum tube collector at the same time, the invention provides for the lamellar absorber unit ( 2 or 9 ) to be integrated into a cavity. The cavity must have a cover that is transparent in the area of the energy-intensive solar wavelength spectrum, at least as large as the lamellar absorber input surface that is irradiated by solar technology.

Erfindungsgemäß kann der zuvor beschriebene Lamellenabsorber in, entlang der Dachneigung und Kollektorachse geneigter fixierter Position oder aber in Dachneigung um eine entlang der Lamellenabsorberlänge parallelen Achse, dem Azimut der Sonne folgend, durch eine Drehvorrichtung drehend ausgerichtet werden. Die verstellbare Vorrichtung dreht den Lamellenabsorber bestmöglich in die senkrechte Ausrichtung zum solaren Einfall und ermöglicht damit die Erfassung der morgendlichen und abendlichen flach stehenden Sonneneinstrahlung mit maximal zugewandter Fläche. Zur Drehung der Absorbereinheit (2) ist die Bildung der Kavität innerhalb einer kreisrunden Röhre von Vorteil. Flache, nicht drehbare und daher zu fixierende Absorbereinheiten (9) sind vorteilhaft im flachen Gehäuse zu integrieren und ermöglichen die harmonische Integration des Kollektors im oder auf dem Dachspiegel.According to the invention, the previously described lamellar absorber can be oriented in a fixed position inclined along the roof slope and collector axis or in a roof inclination about an axis parallel to the lamellar absorber length, following the azimuth of the sun, by a rotating device. The adjustable device rotates the lamellar absorber in the best possible way in the vertical alignment to the solar incidence and thus enables the detection of the morning and evening flat solar radiation with the maximum facing surface. To rotate the absorber unit ( 2 ) the formation of the cavity within a circular tube is advantageous. Flat, non-rotatable and therefore fixable absorber units ( 9 ) are advantageous to integrate in the flat housing and enable the harmonious integration of the collector in or on the roof mirror.

Steht das Verdrehen des Kollektors im Fokus wird vorzugsweise unmittelbar eine Glasröhre oder ein Anteil einer Glasröhre in Verbindung mit einer Unterkonstruktion zur Abdeckung verwandt. 3 zeigt einen einzelnen Kollektoraufbau unter Verwendung einer kreisrunden Glasröhre. Die Kavität wird durch entsprechend druckfeste Deckel an den Stirnseiten verschlossen. Der Stirndeckel (10) auf Seiten der Medienanschlüsse verfügt über druckfeste Durchgänge für den Vorlauf (3), den Rücklauf (2) sowie einen Medienanschluss (6) zur Evakuierung und Befüllung der Kavität. Die Lamellenabsorbereinheit (2) ist schwimmend über die Haltebleche in der Kavität geführt, so dass Wärmeausdehnungen eine Kompensation durch axiale Bewegung der Lamellenabsorbereinheit erfahren. Die Stirndeckel (6 und 8) sind gelagert, wobei ein Deckel als Loslager und der andere Deckel als Festlager konzipiert ist. Die Lagerung wird im Ausführungsbeispiel über Bleche (11) mit der Dachstatik verbunden. Die gesamte Kollektoreinheit befindet sich auf einem Trägerblech (9), welches derart geformt ist, dass es Anschluss an übliche Dachpfannen erfährt und somit geordnet in den Dachspiegel zu integrieren ist.If the focus is on turning the collector, a glass tube or a portion of a glass tube in connection with a substructure is preferably used directly for covering. 3rd Figure 10 shows a single collector assembly using a circular glass tube. The cavity is closed by means of pressure-resistant covers on the front sides. The front cover ( 10 ) on the side of the media connections has pressure-tight passages for the flow ( 3rd ), the return ( 2 ) as well as a media connection ( 6th ) for evacuating and filling the cavity. The lamellar absorber unit ( 2 ) is guided in a floating manner over the retaining plates in the cavity, so that thermal expansion is compensated by the axial movement of the lamellar absorber unit. The front cover ( 6th and 8th ) are stored, with one cover designed as a floating bearing and the other cover as a fixed bearing. In the exemplary embodiment, the storage is via metal sheets ( 11 ) connected to the roof statics. The entire collector unit is located on a carrier plate ( 9 ), which is shaped in such a way that it connects to common roof tiles and can therefore be integrated into the roof mirror in an orderly manner.

Zur Betriebsoptimierung bietet die Kollektoreinheit (3) die Möglichkeit, die gesamte Kavität inkl. der Lamellenabsorbereinheit dem Azimut der Sonne zur Erfassung der maximalen solaren Einstrahlfläche in der Größenordnung der lichten Lamellenabsorberfläche zuzudrehen. In sommerlichen Betriebsperioden mit einem Überangebot an solarer Wärme können die Kollektoren anteilig oder komplett aus der Sonne gedreht werden. Gedreht wird dabei die komplette Reihenschaltung an Lamellenabsorbereinheiten. Ein Kollektor, der Sonneneinstrahlung rückwärts zugedreht, reflektiert mit dem Strahlungsschutz (12) die solare Strahlung auf gleicher Wellenlänge, so dass diese weitestgehend ungeschwächt die Kavität wieder verlässt. Diese invertierte Position des Kollektors gewährleistet die Eigensicherheit der Anlage im Falle des Ausfalls der Wärmeträgerzirkulation. Um die optimale Einstrahlung durch die transparente Abdeckung, in 3 als ausgeblendete Glasröhre angedeutet, auch unter Schmutz-, Regen- und Schneekontamination zu gewährleisten, können beidseitig am Trägerblech (9) Abstreifer (7) ähnlich der Funktion von Scheibenwischern vorgesehen werden. Durch Rotation des Kollektors wird Schmutz und Schnee von der transparenten Abdeckung gewischt. Das Funktionsprinzip ähnelt dem Scheibenwischer am Kraftfahrzeug.The collector unit ( 3rd ) the possibility of turning the entire cavity including the lamellar absorber unit towards the azimuth of the sun in order to record the maximum solar irradiation area in the order of magnitude of the clear lamellar absorber surface. In summer operating periods with an oversupply of solar heat, the collectors can be partially or completely turned out of the sun. The complete series connection of lamellar absorber units is rotated. A collector that is turned backwards towards the solar radiation reflects with the radiation protection ( 12th ) the solar radiation at the same wavelength, so that it leaves the cavity again largely without being weakened. This inverted position of the collector ensures the intrinsic safety of the system in the event of a failure of the heat carrier circulation. In order to ensure optimal irradiation through the transparent cover, in 3rd indicated as a hidden glass tube, to ensure even under dirt, rain and snow contamination, can be attached to the carrier plate on both sides ( 9 ) Scraper ( 7th ) similar to the function of windshield wipers. Rotation of the collector wipes dirt and snow from the transparent cover. The principle of operation is similar to the windshield wiper on a motor vehicle.

Das Verstellen einer einzelnen Kollektoreinheit kann mittels eines direkt angeflanschten Antriebs, vorzugsweise eines Schrittmotors erfolgen. Werden mehrere Kollektoren parallel betrieben, ist eine wirtschaftliche Konfiguration die Verwendung eines mehrfach genutzten Antriebs, untersetzt betrieben. Zur Kopplung bieten sich Bowdenzüge an. Diese beginnen an der motorisch angetriebenen Einrichtung, beispielsweise einer Scheibe oder Winde, und enden mit entsprechendem Hebel von der Kollektorachse am Kollektor formschlüssig fixiert. Schrittmotoren sind aufgrund der bekannten Schrittweite je Verstellung besonders geeignet um definierte Winkel zu verstellen. Die Ausgangswinkel der Kollektoren sind einmalig untereinander zu justieren. Daraufhin können die Kollektoren über einen Antrieb gemeinsam dem Azimut der Sonne rechnerisch oder messtechnisch im Drehwinkel nachgefahren werden. Die Rückstellung erfolgt vorteilhafterweise fehlersicher durch gespannte Drehfedern, so dass bei einem Stromausfall und damit Fortfall der Motorhaltekraft die Kollektoren stromlos in die Eigensicherheit drehen. Alternativ können umlaufende Bowdenzüge die Rückstellung motorgetrieben bewerkstelligen.An individual collector unit can be adjusted by means of a directly flange-mounted drive, preferably a stepper motor. If several collectors are operated in parallel, an economical configuration is the use of a drive that is used multiple times and is operated in a geared manner. Bowden cables are ideal for coupling. These start at the motor-driven device, for example a disc or winch, and end with a corresponding lever from the collector axis, which is positively fixed on the collector. Due to the known step size per adjustment, stepper motors are particularly suitable for adjusting defined angles. The exit angles of the collectors have to be adjusted to each other once. Thereupon, the collectors can be driven together by means of a drive to follow the azimuth of the sun in terms of the angle of rotation, either by calculation or by measurement. The reset is advantageously carried out in a fail-safe manner by means of tensioned torsion springs, so that in the event of a power failure and thus the elimination of the Motor holding force turn the collectors de-energized into intrinsic safety. Alternatively, revolving Bowden cables can be used to reset the device in a motor-driven manner.

Die Kavität ist vorzugsweise werkseitig nicht evakuiert. Das Vakuum kann einmalig und in bestimmten Serviceintervallen am Ort der Installation durch eine Vakuumpumpe erzeugt werden. Anderseits besteht die Möglichkeit, das Vakuum betriebsabhängig zu steuern. Ist die Schneelast zu hoch, um mit den Abstreifern entfernt zu werden, kann durch die Atmosphäre in der Kavität der Wärmerücktransport zum Abtauen des Schnees erreicht werden. Darauf hin kann das Vakuum wieder zur optimalen Wärmedämmung durch eine fest installierte Vakuumpumpe und zugehörige Ventilschaltung erzeugt werden. Dieser Aufwand ist vor allem bei größeren Solarthermieanlagen gerechtfertigt, bei denen mehrere Kollektorenröhren parallel betrieben werden und sich diese somit eine Vakuumpumpe und Verschaltung teilen können.The cavity is preferably not evacuated at the factory. The vacuum can be generated once and at certain service intervals at the installation site by a vacuum pump. On the other hand, it is possible to control the vacuum depending on the operation. If the snow load is too high to be removed with the scrapers, heat can be transported back through the atmosphere in the cavity to thaw the snow. The vacuum can then be generated again for optimal thermal insulation by means of a permanently installed vacuum pump and associated valve circuit. This effort is justified above all for larger solar thermal systems in which several collector tubes are operated in parallel and these can therefore share a vacuum pump and circuitry.

Niedrigst exergetische Systeme, bei denen das zu beheizende Objekt mit niedrigen Vorlauftemperaturen beheizbar ist, ermöglichen die Wärmeträgertemperatur in den Kollektoren niedrig und damit die Kollektoreffizienz höchstmöglich zu halten. Dazu ist der Wärmekapazitätsstrom durch eine regelbare Pumpe derart anzuheben, dass das gewünschte Temperaturniveau am Lamellenabsorberrücklauf nicht überschritten wird. Ist anderseits, beispielsweise zur Brauchwassererwärmung, eine hohe Wärmeträgertemperatur vonnöten ist der Wärmekapazitätsstrom zu reduzieren. Um dennoch ausreichend Konvektion in den Lamellenrohren zu gewährleisten sind Rohreinsätze, beispielsweise verdrallte Drähte, ein adäquates Mittel die Geschwindigkeit und Turbulenz trotz niedriger Wärmekapazitätsströme ausreichend hoch zu halten.Low-exergetic systems, in which the object to be heated can be heated with low flow temperatures, enable the heat transfer medium temperature in the collectors to be kept low and thus the collector efficiency to be kept as high as possible. For this purpose, the heat capacity flow is to be increased by a controllable pump in such a way that the desired temperature level at the lamellar absorber return is not exceeded. On the other hand, if a high heat transfer medium temperature is required, for example for domestic water heating, the heat capacity flow must be reduced. In order to still ensure sufficient convection in the lamellar tubes, tube inserts, for example twisted wires, are an adequate means of keeping the speed and turbulence sufficiently high despite low heat capacity flows.

Niedrige Wärmeträgertemperaturen im Rücklauf aus den Kollektoren haben zwar höhere Wirkungsgrade zur Folge, bewirken aber das rein einphasig arbeitende Wärmespeicher aufgrund der niedrigen Temperaturspreizung vermindert Wärme speichern können. Dem kann durch Nutzen sogenannter Phase Change Materials (Phasenwechselmaterialien) innerhalb der Wärmespeicher begegnet werden. Die Verflüssigungstemperatur sollte dabei knapp unterhalb des Temperaturniveaus der Rücklauftemperatur der Lamellenabsorber gewählt werden. Der Anteil des Phasenwechsels an der Wärmespeicherung erhöht nicht nur die speicherbare Wärmemenge, sondern hält gleichfalls das Temperaturniveau während der Entladung länger konstant. Die Ausführung niedrig exergetischer Systeme durch Einstellung und Verwendung niedriger Temperaturen, beispielsweise maximal 50°C, ermöglicht unter sicherheitstechnischer Beachtung auf druckgeprüfte Anlagenkomponenten zu verzichten. Dazu sind entsprechende Sicherheitseinrichtungen zu verwenden und die Wärmespeicher vorzugsweise am höchsten Punkt im Wärmeträgerströmungssystem zu installieren. Dies reduziert die Fertigungs- und Montagekosten, vor allem beim Speicherbau.Low heat transfer temperatures in the return from the collectors result in higher efficiencies, but they mean that heat accumulators, which operate in a single phase, can store less heat due to the low temperature spread. This can be countered by using so-called phase change materials within the heat storage system. The condensing temperature should be selected just below the temperature level of the return temperature of the lamellar absorber. The proportion of the phase change in heat storage not only increases the amount of heat that can be stored, but also keeps the temperature level constant for longer during discharge. The implementation of low-exergetic systems by setting and using low temperatures, for example a maximum of 50 ° C, makes it possible to dispense with pressure-tested system components while observing safety-related considerations. Appropriate safety devices are to be used for this and the heat accumulators are to be installed preferably at the highest point in the heat transfer fluid system. This reduces the manufacturing and assembly costs, especially when building a storage tank.

Zum Fügen der Lamellen eines zuvor herkömmlich hergestellten Lamellenrohrwärmeübertragers können zwei Lamellenkämme, versetzt um eine Teilung, in den Bereichen zwischen den Rohren eines einreihigen Wärmeübertragers eingesteckt werden. 8 zeigt schematisch ein Rohr, Lamellen, einen unteren und oberen Kamm. Durch Einstecken der profilierten Kämme werden die Lamellen in den äußeren Bereichen zusammengedrückt. Daraufhin fährt ein Stempel, der einen Teil der Lamellen ausschneidet, parallel durch den Ausschnitt der Kämme. Der ausgeschnittene Lamellenteil befindet sich darauf parallel zum Rohr. Die Kämme werden heraus gezogen und leicht parallel zum Rohr versetzt wieder eingeschoben. Dadurch werden die ausgeschnittenen Lamellenstücke umgebogen und die Lamellen zueinander fixiert. 8 zeigt in der schematischen Detailansicht das umgebogene Lamellenstück. Als alternative Fügetechnik kommen anderseits auch stoffschlüssige Methoden in Betracht. To join the lamellas of a previously conventionally manufactured lamellar tube heat exchanger, two lamellar combs, offset by a pitch, can be inserted in the areas between the tubes of a single-row heat exchanger. 8th shows schematically a tube, fins, a lower and an upper comb. By inserting the profiled combs, the lamellae are pressed together in the outer areas. Then a punch, which cuts out part of the lamellas, moves parallel through the cutout of the combs. The cut-out part of the lamella is on it parallel to the pipe. The combs are pulled out and pushed back in slightly offset parallel to the pipe. As a result, the cut-out pieces of lamella are bent over and the lamellae are fixed to one another. 8th shows the bent lamellar piece in the schematic detailed view. On the other hand, cohesive methods can also be considered as an alternative joining technique.

Ausführungsbeispiel mit Einzelheiten zu möglichen AusführungenExemplary embodiment with details of possible designs

Ausführungsbeispiele sind im Text beschrieben und in den 1, 2, 3, 4, 6 und 9 dargestellt.Embodiments are described in the text and in the 1 , 2 , 3rd , 4th , 6th and 9 shown.

Erzielte Vorteile der ErfindungAchieved advantages of the invention

Die erzielten Vorteile sind in erster Linie der hohe, über alle Temperaturbereiche erzielbare Kollektorwirkungsgrad und die niedrig exergetische Betriebsweise. Die niedrig exergetrische Betriebsweise erfasst vermehrt solare Energie und kann damit den monovalenten Betrieb zur Heizlastdeckung eines Objekts in winterlicher Zeit ausdehnen. Die Betriebsweise ist auf eine neue Art eigensicher. Schmutz - Regen- und Schneelasten können automatisiert entfernt und die solare Wärmeausbeute auch während unfreundlichem Wetter optimiert werden. Das Zudrehen des Absorbers der frühen und späten Sonnenstrahlung erhöht die maximal möglich zu erfassende Sonnenenergie.The advantages achieved are primarily the high collector efficiency, which can be achieved over all temperature ranges, and the low-exergetic mode of operation. The low exergy mode of operation captures more solar energy and can thus extend the monovalent operation to cover the heating load of an object in wintry times. The mode of operation is intrinsically safe in a new way. Dirt - rain and snow loads can be removed automatically and the solar heat yield can be optimized even during inclement weather. Turning off the absorber for early and late solar radiation increases the maximum possible amount of solar energy that can be recorded.

Fundstellen zum Stand der TechnikReferences to the state of the art

Recherchierte Patentschriften und GebrauchsmusterSearched patents and utility models

DE202013102828U1
DE000010338483A1
DE000019710803A1
DE000008015430U1
DE000003213084A1
DE000003246919A1
AT00000000344375
AT00000000352354

Literaturliterature

1. Wärme- und Stoffübertragung, 2.Auflage, Baehr - Stephan, Springer Verlag, ISBN 3-540-60374-3 1. Heat and mass transfer, 2nd edition, Baehr - Stephan, Springer Verlag, ISBN 3-540-60374-3

BezugszeichenlisteList of reference symbols

00: SolarkollektorSolar collector
11: Absorber - LamellenwärmeübertragerAbsorber - lamellar heat exchanger
22: Anschluss - Rücklaufleitung aus dem KollektorConnection - return line from the collector
33: Anschluss - Vorlaufleitung in den KollektorConnection - flow line to the collector
44th: Vorlaufleitung in den KollektorFeed line to the collector
55: HalteblechRetaining plate
66th: Medienanschluss der KavitätMedia connection of the cavity
77th: Schmutz-, Wasser- und SchneeabstreiferDirt, water and snow scraper
88th: KavitätendeckelCavity cover
99: Halte- und DachdeckwanneHolding and roof trough
1010: KavitätsstirndeckelCavity end cover
1111: KollektorlagerCollector bearings
1212th: StrahlungsschutzRadiation protection

FigurenlisteFigure list

1 : Three-sided view of a lamellar tube heat exchanger, modified to a lamellar absorber ( 1 )
2 : Isometric view of a lamellar absorber unit, consisting of the lamellar absorber ( 1 ), Retaining plates ( 5 ), the flow line with a distributor ( 4th ), the collector ( 2 ) and the return line, as well as a radiation shield ( 12th )
3rd : Isometric view of a single collector with an integrated lamellar absorber unit, designed as a circular cavity through a glass tube and two end caps, which are hidden in the view.
4th : Representation of a lamellar absorber as well as two exemplary beam paths with different angles of incidence, naming of the top and bottom
5 : Sketch of a classic lamellar tube heat exchanger and the well-known physical phenomenon of the beam path between two parallel gray Lambertian plates
6th : Isometric view of a lamellar absorber unit to view the radiation shield ( 5 ), fixed at a distance from the absorber by two retaining plates ( 5 )
7th : Sketch of a roof ridge with a row of solar collectors, consisting of 3 lamellar absorbers connected in series.
8th : Sketch to show the alternating form-fitting connection of the lamellae by punching and bending lamellae tabs
9 : Isometric view including hidden lines of a lamellar absorber unit, designed for installation in a flat housing firmly mounted on the roof. The lamellar absorber shown shows the lamellar absorber ( 1 ), the retaining plates ( 5 ), the flow line with a distributor ( 4th ), the collector ( 2 ) and the return line, as well as a radiation shield ( 12th )
10 : Qualitative progression of the efficiency of flat and vacuum collectors

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 000010338483 A1 [0005, 0012, 0013, 0015, 0045]
DE 202013102828 U1 [0008, 0011, 0045]
DE 000020215126 U1 [0008]
DE 000008015430 U1 [0008, 0045]
DE 000003246919 A1 [0008, 0045]
DE 000019710803 A1 [0012, 0045]
DE 000003213084 A1 [0015, 0016, 0045]
DE 102006009112 A1 [0017]

Claims

Device for solar energy acquisition and heat supply to reduce the heating loads of an object, designed as a lamellar tube heat exchanger with one or more tubes next to each other and one or more rows of tubes behind one another, with the following features: - The adjacent lamellas are joined together alternately on the top and bottom, preferably at their outermost edge. - The lamellar tube heat exchanger (1) assumes a form that is little or no transparent at least in the range of ultraviolet up to infrared solar radiation. - The side of the lamellar tube heat exchanger (1o) facing the solar radiation has the highest possible degree of absorption, preferably with values above 90%, due to the choice of material and / or the one-sided coating of the lamellar surface. - The side (1u) of the lamellar tube heat exchanger facing away from the solar radiation has the lowest possible emissivity, preferably with values well below 10%, due to the choice of material and / or the one-sided coating. The lamellar or rib spacing is so small, preferably on the order of a few millimeters, that radiation not incident orthogonally to the tubes is reflected and absorbed several times between the lamellas before the remaining radiation reaches the rib base.

Device according to Claim 1 , characterized in that the lamellae are pressed against one another, by punching out flexible tabs and then bending the tabs, are fixed in their position with respect to one another in a form-fitting manner.

Device according to Claim 1 , characterized in that the bottom (1u) and the sides of the im Claim 1 described lamellar absorbers (1) are surrounded by one or more radiation screens (12).

Device according to Claim 1 , characterized in that the bottom (1u) and the sides of the im Claim 1 described lamellar absorbers (1) are lined with thermal insulation or foamed.

Device according to Claim 1 , characterized in that, analogous to the lamellas, individual retaining plates (5) are pressed with the lamellar tubes, the mounting of the absorber unit ( 2 ) in the cavity and the flow line (4) to the flow collector (4).

Device according to Claim 1 , characterized in that individual lamellar absorbers (1) can be operated individually or in multiple axial series connections, directly coupled via the finned pipes or coupled via collector connection pipes (2), together in a cavity.

Device according to Claim 1 , characterized in that the individual or the series-connected solar collectors (0) can be operated in a fixed position or within a rotating device in order to rotate the lamellar absorber (1) around an axis parallel to the absorber length, following the azimuth of the sun to align optimally orthogonally to the solar radiation.

Device according to Claim 1 , characterized in that the lamellar absorber or lamellar absorbers (1) are integrated in a closed cavity which is at least partially formed by a cover that is transparent in the energy-rich spectrum of solar radiation and which can be operated continuously or as required, evacuated or partially evacuated.

Device according to Claim 1 , characterized in that the collector (0) can be mounted on a carrier plate as a holding and roof trough (9) for integration in the roof mirror.

Device according to Claim 1 , characterized in that one or more dirt, water and snow scrapers are fixedly mounted along the cavity housing, to which the rotating cavity performs a wiping relative movement.

Device according to Claim 1 , characterized in that a motor is attached to one of the end faces for the individual rotary rotation of the collector or, for the collective rotation of several collectors, Bowden cables are guided from a form-fitting position on the end or connecting elements of the housing forming the cavities to a motor-driven rotating device. The reset can be spring-driven or motor-driven by a rotating Bowden cable / cable.

Device according to Claim 1 , characterized in that, for operational optimization and expansion, the heat provided by the lamellar absorber (1) and thus collectors (0) is fed to a heat accumulator with proportional phase change materials as heat storage material at a low operationally optimized temperature level.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that the radiation shield (12) is partially or completely turned off by rotating the collector (0) of the solar radiation or the surroundings.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that the cavity is evacuated once or weather-controlled or partially evacuated and, depending on the situation, is filled with mass to carry out the defrosting process.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that by regulating the heat capacity flow, the heat transfer temperature, the exergy level, the collector efficiency are influenced in a targeted manner according to the season and control regime and the defrosting processes.