DE10338483A1

DE10338483A1 - Sonnenkollektor

Info

Publication number: DE10338483A1
Application number: DE10338483A
Authority: DE
Original assignee: SOLA R JENA GmbH; Solar Jena GmbH
Current assignee: JUNG, RAINER W., 07646 TROCKENBORN-WOLFERSDORF, DE
Priority date: 2003-08-21
Filing date: 2003-08-21
Publication date: 2005-03-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor, mit einem Reflektor zum Reflektieren einer Strahlung und zum Kollimieren der reflektierten Strahlung in einer Brennebene, einem in der Brennebene oder in deren Umgebung ausgebildeten Absorber zum Absorbieren der in der Brennebene kollimierten Strahlung und mit einem den Absorber durchströmenden Wärmeträgerfluid zum Umwandeln der Energie der absorbierten Strahlung in Absorptionswärme. Um einen möglichst optimalen Wärmeübergang zwischen dem mittels der Absorptionswärme erhitzten Absorber 3 und dem durch den Absorber hindurchströmenden Wärmeträgerfluid zu erzielen, ist erfindungsgemäß eine Einrichtung zum Verwirbeln des durch den Absorber strömenden Wärmeträgerfluids vorgesehen. Jene Verwirbelungseinrichtung kann beispielsweise ein Drall- bzw. Spiralrohr sein, welches im Inneren des Absorbers vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor, mit wenigstes einem Reflektor zum Reflektieren eintreffender Strahlung und zum Kollimieren der reflektierten Strahlung in einer Brennebene; einem in der Brennebene oder deren Umgebung ausgebildeten Absorber zum Absorbieren der in der Brennebene kollimierten Strahlung und zum Umwandeln der Energie der absorbierten Strahlung in Absorptionswärme; und mit einem den Absorber durchströmenden Wärmeträgerfluid zur Aufnahme der Absorptionswärme.

Die Entwicklung von neuen Technologien im Bereich Solartechnik schreiten immer schneller voran. Hierbei ist ein wichtiges Projekt zur Nutzung der Sonnenenergie die sogenannte Solartechnologie, bei der die Sonnenenergie nicht wie bei der Photovoltaik zur Herstellung von Strom, sondern von Wärme genutzt wird. Dabei spielt die Entwicklung von neuartigen Solarkollektoren eine große Rolle. Hierbei wird ein Wärmegedämmter Absorber benutzt, der von einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt wird. Jene Wärmeträgerflüssigkeit ist in der Regel ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmitteln. Diese Flüssigkeit erhitzt dann den Warmwasservorrat. Die Solartechnologie wird zur Zeit hauptsächlich zur Heizung von Privathäusern, zur Erwärmung von Schwimmbädern und Swimmingpools und zur Beheizung von Hallen eingesetzt.

Bei der Solartechnologie unterscheidet man grundsätzlich zwischen zwei Haupteinsatzgebieten – der Warmwasserbereitung und der Raumheizung. Vom Umweltpolitischen her ist die Warmwasserbereitung am besten geeignet, da sich der Verbrauch von erwärmtem Wasser über das Jahr hinweg nicht sonderlich verändert. Mit heutigen Solaranlagen kann man im Schnitt 65% des jährlichen Warmwasserverbrauchs durch Sonnenenergie erhalten. Für die technische Umsetzung der Solartechnologie wird ein So larkollektor benötigt, der aus einem Absorber besteht, der die einfallende Sonnenstrahlung in Wärme umwandelt. Dieser Absorber ist wärmegedämmt und wird von einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt. Durch einen Solarregler wird die Temperatur am Kollektor und im Warmwasserspeicher überprüft. Wenn die Temperatur am Kollektor einen gewissen Schwellenwert überschreitet, beginnt die Flüssigkeit zu zirkulieren und erhitzt den Speicher. Der Absorber besteht je nach Nutzungsart aus schwarzen Metall- oder Kunststoffstreifen, die mit einem Wärmeträgerrohr verbunden sind, welches den Wärmeträger enthält. Der Absorber gibt die überschüssige Wärme in Form von langwelliger Wärmestrahlung ab.

Die zur Zeit wichtigsten Kollektoren sind Flachkollektoren und Vakuum-Röhrenkollektoren. Der Flachkollektortyp wird in der Regel für die Brachwassererwärmung und/oder zur Heizungsunterstützung eingesetzt. Die Hauptbestandteile dieses Kollektors sind ein Absorber, ein wärmegedämmtes Gehäuse und eine transparente Abdeckung. Diese transparente Abdeckung bewirkt, dass auf Grund der spezifischen Transmissionseigenschaften des transparenten Materials nur wenig Wärmestrahlung von dem Absorber an die Außenstrahlung abgegeben wird. Zusätzlich übernimmt die Abdeckung eine Schutzfunktion, um den Absorber vor Witterungseinflüssen zu schützen. Der Absorber besteht normalerweise aus schwarzbeschichtetem Aluminium oder Kupferblech mit hoher Wärmeaufnahme und geringer Wärmeabgabe und ist mit einem Rohrleitungssystem verbunden, durch welches ein frostsicherer Wärmeträger gepumpt wird. Eine zusätzliche Wärmedämmung auf der Rückseite des Absorbers und an den Seitenwänden bewirkt, dass Wärmeverluste durch Wärmeleitung vermindert werden können. Um mögliche Konvektionsverluste im Kollektor zu reduzieren, besteht ferner die Möglichkeit, die im Kollektor vorhandene Luft aus dem Innenraum herauszupumpen. Diese Kollektoren nennt man dann Vakuum-Flachkollektoren.

Der Röhrenkollektor – auch Vakuumröhrenkollektor genannt – unterscheidet sich von einem Flachkollektor dadurch, dass ein luftleerer Bereich zwischen Abdeckung und Absorber für eine besonders gute Isolierung sorgt. Aus diesem Grund hat ein Röhrenkollektor einen bis zu 20 % höheren Wirkungsgrad als der Standart-Flachkollektor, wobei hier der Wirkungsgrad das Verhältnis von Nutzenergie (Wärme) zu eingesetzter Energie (Sonnenstrahlung) bezeichnet. Ein Vakuum-Röhrenkollektor weißt einen Absorber auf, der sich in einer evakuierten, druckfesten Glassröhre befindet. Der Wärmeträger durchströmt dann den Absorber entweder direkt in einem U-Rohr oder im Gegenstrom durch ein Rohr- im- Rohr-System. Ein Kollektor besteht aus mehreren hintereinander geschalteten oder über eine Sammelleitung verbundenen Röhren. Derartige Sonnenkollektoren sind beispielsweise aus der AT-344375 oder aus der AT-352354 bekannt. Hierbei werden Absorber in der Gestalt von Flachrohren eingesetzt, die in rinnenförmigen Reflektoren angeordnet sind. Bei dieser Konstruktion verschlechtert sich die direkte Bestrahlung der Leitungsabschnitte des Absorbers bei flachem Lichteinfall durch Beschattung der Reflektorränder, je weiter unterhalb diese von der Zylinderachse des Rinnenprofils entfernt sind. Um dennoch den Wirkungsgrad des Sonnenkollektors verbessern zu können, wird vorgeschlagen, den Kollektor dahingehend zu optimieren, dass dieser unabhängig vom jeweiligen Sonnenstand die eingestrahlte Sonnenenergie besser nutzen kann. Eine Lösung besteht darin, nachführbare Kollektoren einzusetzen, um somit immer die optimale Einstellung des Kollektors hinsichtlich des jeweiligen Sonnenstandes zu gewährleisten. Der Nachteil von nachführbaren Kollektoren ist jedoch, dass die Konstruktion derartiger Typen äußerst komplex und kostenintensiv wird. Ferner sind nachführbare und damit bewegbare Kollektoren witterungsanfällig und wartungsintensiv.

Es ist ferner bekannt, Sonnenkollektoren mit nebeneinandergereihten Reflektoren in Form von oben offenen Rinnenprofilen einzusetzen, die in Längsrichtung verlaufende Leitungsabschnitte für Wärmeträgermittel aufweisen. Dabei sind teilweise die im Querschnitt vorzugsweise kreisförmigen Leitungsabschnitte des Absorbers mit radial abstehenden, sich zumindest im wesentlichen über die Reflektorlänge erstreckenden Absorberstreifen bzw. Absorberstegen versehen. So ist beispielsweise aus der AT-402114B bekannt, die Leitungsabschnitte des Absorbers mit nach oben oder unten abstehenden Absorberstegen auszurüsten, die die Wärmeaufnahme durch die Leitungsabschnitte für das Wärmeträgermittel insbesondere bei diffuser Strahlung verbessern sollen. Die nach unten gegen die Reflektorwand gerichteten Absorberstege bewirken dabei, dass die Leitungsabschnitte der Absorber weiter in die Nähe der Zylinderachse des Reflektors rücken, sodass auch bei flachem Einfallswinkel des Sonnenlichtes die Leitungsabschnitte des Absorbers direkt bestrahlt werden. Der Nachteil hierbei liegt darin, das grundsätzlich ein relativ großer Strahlungsanteil auch dabei indirekt über den Absorbersteg aufgenommen und somit über einen Umweg an das Leitungssystem des Absorbers weitergeleitet wird, wobei an der Verbindung von Absorbersteg und Leitungsabschnitt mit großen Wärmeverlusten zu rechnen ist.

Aus der EP 0033054 A1 ist ferner bekannt, durch eine entsprechende Auslegung der Formgebung der Reflektoren eine Verbesserung des Wirkungsgrades eines Sonnenkollektors zu erzielen.

Bei sämtlichen aus dem Stand der Technik bekannten Kollektorkonstruktionen ist der Wärmeübergang zwischen dem Absorber bzw. dem Leitungssystem des Absorbers auf das Wärmeträgermittel ungleichmäßig und von daher unvollständig, da bei sämtlichen bekannten Lösungen die Absorber in den Reflektorrinnen nicht allseitig von der Sonne angestrahlt und von daher ungleichmäßig erwärmt werden. Dieses führt zu einem Ausbilden von heißen und kühlen Abschnitten am Umfang der Leitungsabschnitte des Absorbers, was letztendlich zu der mangelhaften Wärmeübertragung auf das Wärmeträgermittel führt.

Auf der Grundlage der geschilderten Problemstellung liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Sonnenkollektor der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die Wärmeübertragung vom Absorber bzw. den Leitungsabschnitten des Absorbers auf das Wärmeträgermittel und somit der gesamte Wirkungsgrad des Sonnenkollektors deutlich verbessert werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Sonnenkollektor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Einrichtung zum Verwirbeln des durch den Absorber strömenden Wärmeträgerfluids vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäße Lösung weist eine ganze Reihe wesentlicher Vorteile gegenüber den aus der Solartechnik bekannten und vorstehend erläuterten Kollektoren auf. Durch den Einsatz der Verwirbelungseinrichtung wird das Wärmeträgerfluid innerhalb der Leitungsabschnitte des Absorbers, die sich entlang des Reflektors erstrecken, verwirbelt. Dadurch wird erreicht, dass das Wärmeträgerfluid durchweg in einer turbulenten Strömungsform durch den Absorber strömt. Die Verwirbelungseinrichtung dient dabei zum zum einen dazu, Turbulenzen aus einer anfänglich laminaren Strömung des Wärmeträgerfluids entstehen zu lassen, und zum anderen Turbulenzen in einer bereits turbulenten Strömung des Wärmeträgerfluid aufrecht zu erhalten (Produktion). Jene Turbulenzen bewirken die aus der nicht linearen Dynamik bekannten Effekte der turbulenten Diffusion. Diese turbulente Diffusion liegt im allgemeinen deutlich über den molekularen Werten, die bei laminaren Strömungen, und insbesondere in der Strömung der Wärmeträgerfluide in den Leitungsabschnitten der aus dem Stand der Technik bekannten Absorber, auftreten. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass über die erfindungsgemäße Verwirbelungseinrichtung erzeugte turbulente Strömung im Absorber das Aufbauen einer Grenzschicht zwischen dem strömenden Wärmeträgerfluid und der Wandung des Absorbers verhindert wird. Dadurch wird der Wärmeübergang zwischen der Absorberwand und dem Wärmeträgerfluid deutlich verbessert.

Ein weiterer Vorteil der Verwirbelungseinrichtung liegt darin, dass durch das Ausbilden der turbulenten Strömung im Absorber eine Verschmutzung der Innenwand des Absorbers bzw. eine Ablagerung auf dieser durch das Wärmeträgerfluid verhindert werden kann. Jene Verschmutzungen bzw. Ablagerungen führen bei den aus dem Stand der Technik bekannten Absorbern zu einer weiteren Herabsetzung des Wärmeüberganges zwischen der Absorberwand und dem Wärmeträgerfluid. Durch den Einsatz der Verwirbelungseinrichtung wird somit ein Selbstreinigungseffekt erzielt.

Die erfindungsgemäße Verwirbelungseinrichtung ist ferner unabhängig von den jeweiligen Kollektortyp einsetzbar. So ist beispielsweise denkbar, die Verwirbelungseinrichtung bei Flachkollektoren, Vakuum- Flachkollektoren, Röhrenkollektoren und Vakuum-Röhrenkollektoren zu verwenden.

Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Verwirbelungseinrichtung in vorteilhafter Weise für alle zur Zeit denkbaren Wärmeträgerfluide mit den oben beschriebenen Vorteilen eingesetzt werden. Das bedeutet, dass nicht nur ein wässriges Wärmeträgerfluid, sondern auch Öle oder andere leicht verdampfbare Stoffe die als Wärmemittel bzw. Wärmeträgerfluid angewandt werden, durch die Verwirbelungseinrichtung bei der Durchströmung des Absorbers verwirbelt werden, was zu den obig genannten Vorteilen und insbesondere zur Optimierung des Wärmeüberganges zwischen dem Absorber und den Wärmeträgerfluid führt. Auch ist es denkbar, die erfindungsgemäße Verwirbelungseinrichtung in beispielsweise Vakuum- Röhrenkollektoren vom Heat-Pipe-Typ einzusetzen. Hierbei handelt es sich um einen Verdampfer, bei dem die Wärme des Absorbers über ein geschlossenes Rohr aus der Glasröhre herausgeführt und über eine nasse oder trockene Anbindung an das Wärmeträgermedium weiter abgegeben wird. Dabei könnte die Verwirbelungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, um beispielsweise das angebundenen Wärmeträgermedium zu verwirbeln.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

So ist beispielsweise vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Verwirbelungseinrichtung eine auf zumindest einigen Bereichen der Innenwand des Absorbers ausgebildete Profilierung ist. Denkbar wäre hier beispielsweise jene Wandungen im Inneren des Absorbers, die zur Leitung bzw. Führung des Wärmeträgerfluids durch den Absorber dienen, zumindest teilweise mit Rippen bzw. Rillen oder radial einwärts gerichteten Stegen zu versehen. Auch können Rohrabschnitte, die im Absorber zur Führung des Wärmeträgerfluids eingesetzt werden, als Drall- bzw. Rippenrohre ausgeführt sein. Dadurch wird das durch den Absorber strömende Wärmeträgerfluid zwangsweise in eine spiralförmig rotierende Bewegung versetzt. Dadurch wird der laminaren stationären Grundströmung des Wärmeträgerfluids im Absorber eine Störbewegung überlagert, welche einen Übergang vom laminaren zum turbulenten Strömungszustand und somit das Einsetzten der Turbulenz bewirkt. Damit wird in vorteilhafter Weise von allen heißen Zonen der Absorberwand die Wärme optimal abgeleitet und eine bessere Wärmeabnahme am Absorber bzw. ein besserer Wärmeübergang auf das Wärmeträgerfluid erreicht. Denkbar hierbei wäre, dass das vorgesehene Drall- bzw. Rippenrohr ein mehrgängige Steigung aufweist, so dass das Wärmeträgerfluid in einer zwangsweisen, spiralförmigen Bewegung an der Innenwandung des Absorbers transportiert wird, um somit eine besonders gute Wärmeabnahme und einen optimalen Wärmeübergang zu ermöglichen.

In einer besonders vorteilhaften Realisierung des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors ist ferner vorgesehen, das die Verwirbelungseinrichtung eine aus zumindest einigen Bereichen einer Innenwand des Absorbers ausgebildete Rauhigkeit ist. Ein derartige Rauhigkeit könnten beispielsweise gleiche oder unterschiedlich dimensionierte Störobjekte sein, die als Turbulenzkeime dienen. Jene Störobjekte sind dabei auf den Wandungen im Inneren des Absorbers, die zur Leitung bzw. Führung des Wärmeträgerfluids durch den Absorber dienen, angeordnet. Dadurch, dass diese Störobjekte ganz gezielt an bestimmten Bereichen der Innenwandung des Absorbers ausgebildet werden können, kann der Turbulenzgrad der Strömung Optimal an die jeweilige Anwendung, das heißt an die Absorberformgebung, das Wärmeträgerfluid, die Durchströmgeschwindigkeit, etc., angepasst werden. Selbstverständlich ist es dabei denkbar, die Rauhigkeit in Verbindung mit einer auf zumindest einigen Bereichen der Innenwand des Absorbers ausgebildeten Profilierung einzusetzen. Auch sind hier andere Störobjekte, wie beispielsweise in der Strömung des Wärmeträgerfluids vorgesehene Turbulenzendrähte, denkbar.

Eine vorteilhafte, wenngleich aus der Solartechnik teilweise bekannte Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung besteht darin, das der Absorber neben zumindest einem Absorberrohr, dessen eine Stirnfläche geschlossen ist und dessen andere Stirnfläche offen ist oder zumindest eine Öffnung aufweist und als Auslass des Wärmeträgerfluids dient, ferner eine im Inneren des Absorberrohrs angeordnete Zufuhrröhre zum Zuführen des Wärmeträgerfluids aufweist, deren beide Stirnflächen offen sind oder zumindest jeweils eine Öffnung aufweisen und deren an der Auslassseite des Absorberrohrs liegende Öffnung als Einlass des Wärmeträgerfluids dient. Der Vorteil hierbei ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die vom Absorberrohr umhüllte Zufuhrröhre das Wärmeträgerfluid dem Absorber in einer ersten Richtung fließend zugeführt wird, während jenes Wärmeträgerfluid anschließend in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung aus dem Absorberrohr über dessen Außenmantelfläche ausfließt. Diese Konstruktion hat den Vorteil, dass der Einlass und der Auslass für das Wärmeträgerfluid an der selben Seite des Absorbers angeordnet sind, so dass zum einen eine sehr kompakte Bauweise des Absorbers erzielbar ist und zum anderen mehrere Absorber auf einfache Weise hintereinander angeschlossen werden können. Aus konstruktionstechnischen Gründen werden die Absorber meist in Form von Röhren ausgeführt, denkbar wäre hier jedoch auch, abgeflachte bzw. plattenförmige Absorber zu verwenden.

Als eine besonders vorteilhafte Weiterentwicklung der letztgenannten Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Zuführröhre, die von dem Absorberrohr umhüllt wird, ein Drall- bzw. Rippenrohr verwendet wird. Hierbei entspricht die auf der Außenmantelfläche der Zufuhrröhre ausgebildete Profilierung der Verwirbelungseinrichtung. Dadurch wird bewirkt, dass das Wärmeträgerfluid, nachdem es über die Zufuhrröhre dem Absorber zugeführt worden ist, beim Zurückströmen mittels der auf der Außenmantelfläche der Zufuhrröhre ausgebildeten Profilierung verwirbelt wird. Auf Grund des im Absorber turbulent zurückströmenden Wärmeträgerfluids wird eine optimale Wärmeübertragung zwischen der Außenwand des Absorberrohres und dem Wärmeträgerfluid erzielt. Denkbar hierbei wäre, dass die Außenwand des Absorberohres gleichzeitig auch die Außenwand des Absorbers darstellt. In einer anderen Realisierung ist in besonders Vorteilhafterweise vorgesehen, dass der Absorber zusätzlich noch ein transparentes Gehäuse aufweist, welches das Absorberrohr mit der innenliegenden Zufuhrröhre zumindest teilweise umgibt. Zur besseren Wärmeisolierung könnte der Zwischenraum zwischen der Außenwand des Absorberrohres und der Gehäuseinnenwand mit Edelgas befüllt sein; möglich wäre jedoch auch, diesen Zwischenraum zu evakuieren. Durch die Edelgas-Befüllung bzw. die Evakuierung des Zwischenraumes zwischen dem Absorbergehäuse und dem Absorberrohr können in Vorteilhafterweise konvektionsbedingte Wärmeverluste deutlich herabgesetzt werden. Selbstverständlich sind hierbei auch andere Konstruktionen denkbar, um derartige Verluste zu minimieren.

In einer besonders Vorteilhaften Weiterbildung der letztgenannten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die auf oder in der Zufuhrröhre vorgesehene Verwirbelungseinrichtung in der Gestalt umlaufender Rillen mittels eines Präge- oder Walzverfahrens aufgebracht wurden. In diesem Fall könnte beispielsweise die Zufuhrröhre ein dünnwandiges Rohr sein, welches mit spiralförmig umlaufenden Rillen versehen ist. Dadurch wird erreicht, dass nicht nur auf der Außenmantelfläche der Zufuhrröhre eine Profilierung ausgebildet wird, sondern auch eine entsprechende korrespondierende Profilierung auf der Innenmantelfläche dieser Röhre anzutreffen ist. Der Vorteil hierbei liegt unter anderem darin, dass durch diese Ausführung die Zufuhrröhre thermische Dehnungen problemlos aufnehmen kann.

Um auch bei flachem Lichteinfall auf den Reflektor des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors einen möglichst großen Anteil der eintreffenden Strahlung nutzen zu können, ist vorzugsweise vorgesehen, dass sich zumindest ein Absorbersteg radial vom Absorber nach außen erstreckt. Jener Absorbersteg verbessert die Wärmeaufnahme durch die Abschnitte, welche das Wärmeträgerfluid durch den Absorber führen, insbesondere bei diffuser Strahlung. Dabei ist vorgesehen, dass jene Strahlungsanteile, die auf Grund des flachen Einfalls durch beispielsweise Beschattung der Reflektorränder ursprünglich nicht mehr genutzt werden konnten, nun indirekt über den Absorbersteg aufgenommen und somit an den Absorber weitergeleitet werden. Denkbar hierbei wäre, einen oder eine Vielzahl von Absorberstege zu verwenden, die sich von dem Absorber nach oben oder nach unten erstrecken. In besonders vorteilhafter Weise ist ein senkrechter Absorbersteg nach unten oder nach oben, oder es sind zwei waagerechte Absorberstege nach rechts bzw. links vorgesehen, wobei dadurch ein möglichst optimales Verhältnis von Absorption, Konvektion und Wärmeabstrahlung bezogen auf die Absorberoberfläche erreicht wird. Selbstverständlich sind hier aber auch andere Anordnungen von Absorberstegen denkbar.

In einer möglichen Realisierung des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors ist vorgesehen, dass der Absorber mäanderförmig ausgebildet ist, um somit eine optimale und an die jeweilige Anwendung angepasste Konstruktion des Sonnenkollektors zu ermöglichen. Die mäanderförmig ausgebildete Absorberform des Drallrohres macht insbesondere dann Sinn, wenn beispielsweise Strömungsleitbleche, Kerben oder Flachstellen in einem glatten Absorberrohr angeordnet werden, da so auch Verwirbelungen im hinreichenden Maße ermöglich werden. Selbstverständlich sind die Lehren der vorliegenden Erfindung auf jede Kollektorform bzw. Absorberform mit den gleichen vorteilhaften Effekten abwendbar.

Eine vorteilhafte, wenngleich auch aus der Solartechnik bekannte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Reflektor des Sonnenkollektors ein in Richtung der eintreffenden Strahlung hin offenes Rinnenprofil ist. Dabei ist vorgesehen, dass das Rinnenprofil die Strahlung auf den Absorber fokussiert. Dies wird beispielsweise durch eine Verspiegelung der Oberfläche des Reflektors erzielt. Denkbar hierbei ist es, Reflektoren einzusetzen, die kreiszylindrische oder parabolische Quer schnitte aufweisen. Ferner ist es denkbar, nachführbare Reflektoren im Zusammenhang mit dem Sonnenkollektor der vorliegenden Erfindung einzusetzen, um unabhängig von der Einfallsrichtung der Strahlung einen möglichst optimalen Wirkungsgrad zu erzielen.

Zum Erzielen eines kompakten Sonnenkollektors ist des weiteren Vorteilhafterweise vorgesehen, dass eine Vielzahl von aneinander angrenzenden Reflektoren zur Ausbildung eines Kollektorarrays angeordnet sind.

Schließlich ist es in Hinblick auf eine optimale, das heißt möglichst vollständige Absorption der in der Brennebene des Sonnenkollektors kollimierten Strahlung von Vorteil, dass der Querschnitt des in der Brennebene oder deren Umgebung ausgebildeten Absorbers des Sonnenkollektors eine an der Katakaustik orientierte kreisförmige Formgebung aufweist. In vorteilhafter Weise ist ferner die Außenseite des Absorbers mit einer hoch-selektiven Absorberfolie (beispielsweise TINOX) ummantelt. Ferner ist die Anordnung des Absorbers innerhalb des Reflektors dahingehend optimiert, das dieser in seiner horizontalen Lage symmetrisch zu dem zugehörigen Reflektor angeordnet und in vertikaler Richtung in das Zentrum der Katakaustik gerückt ist. In vorteilhafter Weise ist der Absorber derart in dem Reflektor angeordnet dass ein Mindest-Isolierspalt zwischen dem Absorber und dem Reflektor verbleibt. Durch diese Anordnung des Absorbers sowie durch die Verwendung des an der Katakaustik orientierten, kreisförmigen Absorberquerschnittes ist die Größe der Fläche des Absorbers, auf welche die vom Reflektor reflektierte Strahlung kollimiert wird, nahezu unabhängig vom Einfallswinkel der Strahlung. Selbstverständlich sind hier aber auch andere Anordnungen bzw. Querschnittsformgebungen des Absorbers denkbar.

Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine teilweise im Schnitt dargestellte, perspektivische Ansicht der Anschlussseite eines aus drei Sonnenkollektoren aufgebauten Kollektorarrays;
2 einen Ausschnitt aus 1, der den Ein- und Auslass eines erfindungsgemäßen Sonnenkollektors des in 1 gezeigten Kollektorarrays darstellt;
3 eine an der Linie A-A' in 1 genommene Schnittdarstellung der in 1 gezeigten Ausführungsform des Kollektorarrays; und
4 eine Querschnittsdarstellung des durch einen erfindungsgemäßen Sonnenkollektors des in 1 gezeigten Kollektorarrays, die die Bestrahlung des im Reflektor angeordneten Absorbers bei verschiedenen Einfallswinkeln der von außerhalb auf den Reflektor eintreffenden Strahlung verdeutlicht.
1 zeigt eine teilweise im Schnitt dargestellte, perspektivische Ansicht der Anschlussseite eines aus drei Sonnenkollektoren aufgebauten Kollektorarrays. Jenes Kollektorarray weist ein Gehäuse 11 mit Wärmedämmung, eine transparente Abdeckung 12 sowie die bereits genannten drei Sonnenkollektoren, die in dem Gehäuse 11 angeordnet sind, auf. Das in der dargestellten Ausführungsform verwendete wannen- oder kastenförmige Gehäuse 11 wird in bevorzugter Weise gasdicht durch die transparente Abdeckung 12 abgeschlossen. Als transparente Abdeckung 12 kommt beispielsweise eisenarmes Solarsicherheitsglas zum Einsatz, dass sich durch einen hohen Transmissionsgrad für den kurzwelligen Spektralbereich auszeichnet. Gleichzeitig gelangt nur wenig der Wärmestrahlung von den jeweiligen Absorbern 3 durch diese Glasabdeckung 12 wieder hinaus. Außerdem verhindert die transparente Abdeckung 12 den Wärmeentzug von den jeweiligen Absorbern 3 durch konvektionsbedingten Wärmeaustausch mit beispielsweise kälterer Luft in der Umgebung. Die einzelnen Sonnenkollektoren sind durch die Abdeckung 12 und das Gehäuse 11 ferner vor Witterungseinflüssen geschützt. Als typische Gehäusematerialien sind Aluminium und verzinktes Stahlblech oder aber auch glasverstärkter Kunststoff denkbar.
Die einzelnen Sonnenkollektoren werden seitlich sowie an ihren Unterseiten mit (nicht dargestellten) Abstandshaltern am Gehäuse 11 befestigt. Dabei ist denkbar, mittels einer Wärmedämmung an der Unterseite der jeweiligen Absorber 3 und an den Seitenwänden des Gehäuses 11 Wärmeverluste durch Wärmeleitung zu vermindern. Als mögliche Dämmmaterialien können beispielsweise Polyurethan-Schaum und Mineralwolle oder aber auch Mineralfaser-Dämmstoffe, wie etwa Glasswolle, Steinwolle, Glasfaser oder Fiberglas, verwendet werden. Ferner ist es möglich, das Gehäuse 11 zusätzlich oder anstelle dieser Dämmmaterialien mit Edelgas zu füllen, oder das Gehäuse zu evakuieren, um eine entsprechende Wärmeisolierung zu bewirken.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform werden Sonnenkollektoren vom sogenannten Rohr- im- Rohr-Typ verwendet, das heißt Sonnenkollektoren, deren Absorber 3 im Gegenstromverfahren arbeiten. Die Konstruktion des Rohr- im- Rohr-Systems hat den Vorteil, dass sowohl der Einlass 9 als auch der Auslass 7 eines jeden Absorbers 3 an der selben Seite des Absorbers liegen, sodass mehrere Absorber über eine gemeinsame Zuleitung 13 und eine gemeinsame Ableitung 14 in Reihe hintereinander geschaltet werden können, wie es in der Ausführungsform gemäß 1 mit den jeweiligen Absorbern 3 der drei einzelnen Sonnenkollektoren der Fall ist. Selbstverständlich ist aber auch denkbar, die Anbindung von Vorlauf bzw. Zuleitung 13 und Rücklauf bzw. Ableitung 14 auch beiderseits und nicht wie dargestellt an einer Seite auszuführen. Die Befestigung der einzelnen Absorber 3 in den jeweiligen Sonnenkollektoren erfolgt am gegenüber des Ein- bzw. Ablaufs liegenden Ende des Absorbers mittels einer (nicht dargestellten) Halterung, wobei die Position bzw. Lage des Absorbers 3 relativ zum zugehörigen Reflektor 1 fixiert wird. Die Halterung ist dabei so ausgeführt, dass sie die Längenausdehnung des Absorbers 3 bei Temperaturänderung aufnimmt.
Jeder der einzelnen Absorber 3 ist mit einer selektiven Beschichtung versehen, um eine Emission von langwelliger Strahlung zu verhindern. Dadurch kann die Abgabe von überschüssiger Wärme durch die Oberfläche des Absorbers 3 in Form von langwelliger Wärmestrahlung herabgesetzt bzw. verhindert werden, so dass sich Absorbiergrade von bis zu 90 % erreichen lassen. Denkbar wäre ferner, eine Titan-Nitrid-Oxidschicht auf der Außenoberfläche des jeweiligen Absorbers 3 zu verwenden. Eine derar tige Beschichtung wird in der Regel im Vakuum-Verfahren aufgedampft. Ferner ist denkbar, die Außenseiten der jeweiligen Absorber 3 über die Länge der zugehörigen Reflektoren 1 mit einer hoch-selektiven Absorberfolie zu ummanteln.
Die jeweilige Anordnung der einzelnen Absorber 3 innerhalb der zugehörigen Reflektoren 1 wird dahingehend optimiert, dass jeder Absorber 3 in seiner horizontalen Lage symmetrisch zu dem zugehörigen Reflektor 1 angeordnet ist und in vertikaler Richtung in das Zentrum der Katakaustik des zugehörigen Reflektors 1 gerückt wird. In vorteilhafter Weise verbleibt jedoch grundsätzlich ein Isolierspalt zwischen dem Absorber 3 und dem Reflektor 1.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der jeweilige Absorber 3 eine an der Katakaustik des zugehörigen Reflektors 1 orientierte, kreisförmige Querschnittsformgebung aufweist, um damit einen hohen und insbesondere von dem Einfallswinkel der auf den Reflektor 1 eintreffende Sonnenstrahlung unabhängigen Wirkungsgrad zu erzielen.
Die jeweiligen Reflektoren 1 dienen dazu, eintreffende Strahlung derart zu reflektieren, dass diese in einer Brennebene kollimiert wird. In dieser Brennebene oder zumindest in deren Umgebung befindet sich der Absorber 3 zum Absorbieren jener kollimierten Strahlung und zum Umwandeln der Energie der absorbierten Strahlung in Absorptionswärme. Die besondere Spiegelgeometrie der einzelnen Reflektoren 1 gewährleistet, dass direktes und diffuses Sonnenlicht insbesondere auch bei ungünstigen Einstrahlungswinkeln auf den zugehörigen Absorber 3 fällt. Dies verbessert den Energieertrag erheblich. Denkbar hierbei wäre beispielsweise der Einsatz von hochreflektierenden, witterungsbeständigen CPC-Spiegeln (compound parabolic concentrator). Die Radien der einzelnen Reflektoren 1 können somit optimal der Bauhöhe, Rinnenanzahl je Kollektorbreite sowie Gewicht und Herstellungskosten des Sonnenkollektors bzw. des Kollektorarrays angepasst werden.
Die einzelnen Absorber 3 werden von einem Wärmeträgerfluid 4 durchströmt. Durch eine (nicht dargestellte) Steuerung wird die Temperatur im Sonnenkollektor und in einem (ebenfalls nicht dargestellten) Wärmwasserspeicher, der die über das Kollektorarray gewonnene Wärmeenergie speichert, überprüft. Wenn die Temperatur am Sonnen kollektor höher als die im Warmwasserspeicher ist, beginnt das Wärmeträgerfluid 4 zu zirkulieren und erhitzt das im Warmwasserspeicher gespeicherte Wasser. Als Wärmeträgerfluid 4 wird in der Regel ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmitteln verwendet; denkbar hierbei wäre beispielsweise auch ein Fluid auf Kohlenwasserstoffbasis.
2 zeigt einen Ausschnitt aus 1, der den Einlass 9 und Auslass 7 eines einzelnen Sonnenkollektors des in 1 gezeigten Kollektorarrays darstellt. Anhand dieses Ausschnittes ist deutlich zu erkennen, dass sich der Absorber 3 aus einem Absorberrohr 6 und einer im Inneren des Absorberrohrs 6 angeordneten Zufuhrröhre 8 zusammensetzt. Das Absorberrohr 6 ist an dem in der 2 gezeigten Ende des Absorbers 3 geöffnet bzw. weist eine Öffnung auf, die als Auslass 7 dient. Jenes Absorberrohr 6 ist über die Auslassöffnung 7 mit einem Rücklauf 14 verbunden. Die im Inneren des Absorberrohrs 6 angeordnete Zufuhrröhre 8 ist im Gegensatz zum Absorberrohr 6 beidseitig geöffnet bzw. weist an beiden Seiten eine Öffnung auf. An dem in der 2 gezeigten Ende des Absorbers dient die Öffnung der Zufuhrröhre 8 als Einlass zum Zuführen des Wärmeträgerfluids 4 in den Absorber 3. Jener Einlass 9 korrespondiert mit einem Vorlaufrohrsystem 13, welches sich im Rücklaufrohrsystem 14 befindet. Die jeweiligen Absorberrohre 6 bzw. Zufuhrröhren 8 der (in der 2 nicht gezeigten) anderen Absorber sind über das gleiche Vorlaufrohrsystem 13 bzw. Rücklaufrohrsystem 14 miteinander verbunden.
Die Zufuhrröhre 8 weist eine auf ihrer Außenmantelfläche ausgebildete Profilierung auf, die als Verwirbelungseinrichtung 5 dient. In der dargestellten Ausführungsform ist diese Verwirbelungseinrichtung 5 eine die Zufuhrröhre 8 spiralförmig umlaufende Rille, die beispielsweise mittels eines Walzverfahrens auf die Zufuhrröhre 8 aufgebracht wurde. Aufgrund dieser Verwirbelungseinrichtung 5 wird das durch das Absorberrohr 6 an der Außenseite der Zufuhrröhre 8 zum Rücklauf 14 zurückströmende Wärmeträgerfluid 4 in Zirkulation versetzt, sodass ein optimaler Wärmeübergang zwischen dem Wärmeträgerfluid 4 und dem von der absorbierten Strahlung erwärmten Absorberrohr erzielt wird.
Denkbar hierbei wäre auch, dass anstelle oder zusätzlich zu der auf oder in der Zufuhrröhre ausgebildeten Profilierung andere Störkörper als Verwirbelungseinrichtung 5 verwendet werden, beispielsweise radial einwärts gerichteten Stege.
3 zeigt eine an der Linie A-A' in 1 genommene Schnittdarstellung der in 1 gezeigten Ausführungsform des Kollektorarrays. Hierbei kommt deutlich die koaxiale Anordnung der einzelnen Zufuhrröhren 8 in den zugehörigen Absorberrohren 6 der einzelnen Absorber 3 zum Ausdruck. Der besseren Übersicht halber wurde auf eine vollständige Darstellung des Vorlaufrohrsystems 13 bzw. Rücklaufrohrsystems 14, die für die einzelnen Absorber 3 gemeinsam sind, verzichtet. Die einzelnen Reflektoren 1 gehen an ihren jeweilige Berührungspunkten nahtlos ineinander über, was dem Kollektorarray eine zusätzliche Stabilität gibt. Des weiteren sind an den einzelnen Absorbern 3 der jeweiligen Sonnenkollektoren sich radial von den einzelnen Absorbern 3 nach außen erstreckende Absorberstege 10 vorgesehen. In der hier dargestellten Ausführungsform erstrecken sich die jeweiligen Absorberstege 10 sowohl nach oben als auch nach unten, um somit möglichst viel Strahlungsenergie auch bei schräg eintreffender Strahlung zu absorbieren, wobei dann die von den Absorberstegen 10 absorbierte Wärme den Absorbern 3 durch Wärmeleitung zugeführt wird.
4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Sonnenkollektor des in 1 gezeigten Kollektorarrays, die die Bestrahlung des im Reflektor 1 angeordneten Absorbers 3 bei verschieden Einfallswinkeln der auf den Reflektor 1 eintreffenden Strahlung verdeutlicht. Die Anordnung des Absorbers 3 innerhalb des Reflektors 1 wird dahingehend optimiert, dass der Absorber in vertikaler Richtung in das Zentrum der Katakaustik des Reflektors 1 gerückt wird. Die in der 4 dargestellte schematische Ansicht zeigt, dass sich die Größe der direkt beschienenen Fläche auf dem Absorber 3 auch bei flachem Einfallswinkel der eintreffenden Strahlung gegenüber der im rechten Winkel auf die Abdeckscheibe auftreffenden Strahlung nur unwesentlich ändert. Die nicht unmittelbar auf den Absorber 3 auftreffende Strahlung wird nach der Reflektion am Reflektor 1 auf den Absorber 3 weitergeleitet und zur Erwärmung des Wärmeträgermittels 4 genutzt.
An dieser Stelle sie darauf hingewiesen, das alle oben beschriebenen Teile für sich allein gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details als erfindungswesentlich beansprucht werden. Änderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.

1: Reflektor
2: Brennebene
3: Absorbe
4: Wärmeträgerfluid
5: Verwirbelungseinrichtung
6: Absorberrohr
7: Absorberrohr-Auslass
8: Zufuhrröhre
9: Zufuhrröhre-Einlass
10: Absorbersteg
11: Gehäuse
12: Abdeckung
13: Vorlaufrohrsystem
14: Rücklaufrohrsystem

Claims

Sonnenkollektor, mit: – wenigstens einem Reflektor (1) zum Reflektieren eintreffender Strahlung und zum Kollimieren der reflektierten Strahlung in einer Brennebene (2); – einem in der Brennebene (2) oder deren Umgebung ausgebildeten Absorber (3) zum Absorbieren der in der Brennebene (2) kollimierten Strahlung und zum Umwandeln der Energie der absorbierten Strahlung in Absorptionswärme; und mit – einem den Absorber (3) durchströmenden Wärmeträgerfluid (4) zur Aufnahme der Absorptionswärme, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (5) zum Verwirbeln des durch den Absorber (3) strömenden Wärmeträgerfluids (4).
Sonnenkollektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwirbelungseinrichtung (5) eine auf zumindest einigen Bereichen einer Innenwand des Absorbers (3) ausgebildete Profilierung ist.
Sonnenkollektor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass die Verwirbelungseinrichtung (5) eine auf zumindest einigen Bereichen einer Innenwand des Absorbers (3) ausgebildete Rauhigkeit ist.
Sonnenkollektor gemäß einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (3) folgendes aufweist: – ein Absorberrohr (6), dessen eine Stirnfläche geschlossen und dessen gegenüberliegende andere Stirnfläche offen ist oder zumindest eine Öffnung (7) aufweist und als Auslass des Wärmeträgerfluids (4) dient; und – eine im Inneren des Absorberrohrs (6) angeordnete Zufuhrröhre (8) zum Zuführen des Wärmeträgerfluids (4), wobei beide Stirnflächen der Zufuhrröhre (8) offen sind oder zumindest jeweils eine Öffnung (9) aufweisen und wobei die an der Auslassseite des Absorberrohrs (6) liegende Öffnung (9) als Einlass des Wärmeträgerfluids (4) dient.
Sonnenkollektor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwirbelungseinrichtung (5) eine auf der Mantelfläche der Zufuhrröhre (8) ausgebildete Profilierung ist.
Sonnenkollektor gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwirbelungseinrichtung (5) zumindest eine die Zufuhrröhre (8) spiralförmig umlaufende Rille ist, die mittels eines Präge- oder Walzverfahrens auf die Zufuhrröhre (8) aufgebracht wurde.
Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest einen sich radial vom Absorber (3) nach außen erstreckenden Absorbersteg (10).
Sonnenkollektor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (3) mäanderförmig ausgebildet ist.
Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (1) ein in Richtung der Energieeinstrahlung hin offenes Rinnenprofil ist.
Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von aneinander grenzenden Reflektoren (1) zum Ausbilden eines Kollektorarrays.
Sonnenkollektor nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine an der Katakaustik des Reflektors (1) angepasste Querschnittsformgebung des Absorbers (3).