DE10344084B4

DE10344084B4 - Solarabsorber

Info

Publication number: DE10344084B4
Application number: DE10344084A
Authority: DE
Inventors: Martin Sandler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-09-23
Filing date: 2003-09-23
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2023-09-24
Also published as: EP1685352A1; DE10344084A1; WO2005031223A1

Abstract

Solarabsorber (1) mit wenigstens zwei Absorberkanälen (16) sowie einem Zulauf- (7a) und einem Ablaufkanal (7b), mit denen die wenigstens zwei Absorberkanäle (16) zum Durchfluss eines Wärme aufnehmenden Mediums jeweils dicht verbunden sind, wobei die wenigstens zwei Absorberkanäle (16) durch einen Spalt (6) zwischen zwei voneinander beabstandeten Absorberplatten (3a, b) gebildet werden, die in der Absorberplattenfläche in Abständen miteinander verbunden und randseitig abgedichtet sind und der Spalt (6) so gestaltet ist, dass im Betrieb des Absorbers (1) aufgrund eines angepassten Strömungswiderstands der wenigstens zwei Absorberkanäle (16) die Strömungsgeschwindigkeit des Wärme aufnehmenden Mediums in allen Absorberkanälen (16) im Wesentlichen gleich ist, wobei die Anpassung des Strömungswiderstands des Spalts (6) in Abhängigkeit der Länge (T) der Absorberplatten (3a, b) im Wesentlichen durch eine geeignete Auswahl der Querschnittform des Spalts (6) erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Solarabsorbern nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie mit Verfahren zu deren Betrieb und Herstellung.

Solarabsorber sind dem Fachmann in vielfältiger Weise bekannt, unter anderem aus der auf die Anmelderin zurückgehenden DE 102 16 604 .

Ein Solarabsorber umfasst hierbei üblicherweise einen Wärmeaufnahme-Bereich, der der Aufnahme der durch die Sonneneinstrahlung zugeführten Leistung dient und der zu diesem Zweck von einem Wärme aufnehmenden Medium durchflossen wird. Der Wärmeaufnahme-Bereich kann beispielsweise eine Vielzahl üblicherweise in Strömungsrichtung und parallel zueinander angeordneter, voneinander getrennter Absorberkanäle aufweisen, er kann jedoch auch durch zwei ebene, plattenförmige und randseitig dicht verbundene Elemente gebildet werden, zwischen denen ein Spalt für das durch den Solarabsorber hindurchströmende Wärme aufnehmende Medium ausgebildet ist. In diesem Fall bildet der Spalt dann einen einzigen Absorberkanal.

Um die sprachliche Ausdrucksweise einfach halten zu können, wird im Folgenden ausschließlich der Plural des Begriffs „Absorberkanal" verwendet, wobei hiermit jedoch auch der Fall eines einzigen Absorberkanals mit umfasst sein soll, sofern dies im konkreten technischen Zusammenhang möglich ist.

Üblicherweise verfügen die Absorberkanäle über geeignete Zu- und Ablaufvorrichtungen, wie z. B. Zulauf- und Ablaufkanäle in Form randseitiger Sammelrohre oder Anschlussstutzen, für das Wärme aufnehmende Medium, so dass dieses den Absorber durchströmen, in einem geschlossenen Kreislauf zirkulieren und die im Wärmeaufnahme-Bereich des Solarabsorbers aufgenommene Wärme an geeigneter Stelle wieder abgeben kann. Solarabsorber werden in Solarkollektoren z. B. auf Hausdächern verwendet, um die Strahlungs- und Wärmeenergie der Sonnenstrahlung aufzunehmen und mit einem Wärme aufnehmenden Medium z. B. zu einem Wärmetauscher im Haus weiterzuleiten.

Als eine vorteilhafte Art des Betriebs eines Solarabsorbers hat sich eine Durchströmung nach dem Tichelmann-Prinzip herausgestellt. Dieses Prinzip zeichnet sich dadurch aus, dass das den Solarabsorber durchströmende, Wärme aufnehmende Medium auf allen seinen möglichen Wegen durch den Solarabsorber im wesentlichen die gleiche Strecke zurückgelegt. Im Fall eines durch zwei Absorberplattenförmige Elemente gebildeten Solarabsorbers würden sich die Punkte, an denen das Wärme aufnehmende Medium dem mit den Absorberkanälen verbundenen Zulauf- bzw. Ablaufkanal zugeführt bzw. abgeführt wird, folglich diagonal gegenüberliegen.

So zeigt beispielsweise das deutsche Gebrauchsmuster DE 201 00 746 U1 einen nach dem Tichelmann-Prinzip betriebenen Solarabsorber, bei dem der Strömungsweg für das den Absorber durchströmende Fluid von einem Einlass durch die Kanäle des Absorbers zu einem Auslass des Absorbers gleich lang ist.

Das US-Patent mit der Nummer 4,763,641 zeigt einen Solarabsorber, dessen Absorberkanal durch einen Spalt zwischen zwei voneinander beabstandeten Absorberplatten gebildet wird, die in der Absorberplattenfläche in Abständen miteinander verbunden und randseitig abgedichtet sind.

Als nachteilig hat sich erwiesen, dass bei den bekannten Solarabsorbern häufig keine gleichmäßige Durchströmung der Absorberkanäle durch das Wärme aufnehmende Medium über die gesamte Breite des Wärmeaufnahme-Bereichs erfolgt.

Durchflutungstests haben mit Hilfe von Thermobildkameras hierbei ergeben, dass im Betrieb mit niedriger Durchströmung des Solarabsorbers das durch den Zulaufkanal zugeführte Wärme aufnehmende Medium zum überwiegenden Teil den Wärmeaufnahme-Bereich durch die z.B. im Zulaufkanal stromaufwärts am nächsten gelegenen Absorberkanäle durchströmt. Bei der Verwendung eines Solarabsorbers mit einem einzigen, spaltförmigen Absorberkanal hat sich ergeben, dass auch hier bei geringer Durchflutung der Großteil des Wärme aufnehmenden Mediums oft nur durch einen kleinen, im Zulaufkanal stromaufwärts gelegenen Teilbereich des Spalts durch den Wärmeaufnahme-Bereich strömt.

Als Folge dieses Strömungsverhaltens kann in den Bereichen des Solarabsorbers, die nur ungenügend von dem Wärme aufnehmenden Medium durchströmt werden, die durch die Sonneneinstrahlung zugeführten Leistung nicht oder nur unvollständig abgeführt werden. Somit kommt es zum einen in diesen Bereichen aufgrund der entstehenden hohen Temperaturen zu zusätzlichen Materialbelastungen und zum anderen werden durch dieses Verhalten der Wirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit des Solarabsorbers deutlich herabgesetzt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, einen Solarabsorber mit einem höheren Wirkungsgrad bzw. einer besseren Ausbeute der aufgenommenen Sonneneinstrahlung bei gleichzeitiger Verringerung der Materialbeanspruchung zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Solarabsorber mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 oder 2 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen.

Demzufolge werden erfindungsgemäß die Absorberkanäle, der Zulaufkanal und/oder der Ablaufkanal des Solarabsorbers so gestaltet, dass im Betrieb des Solarabsorbers aufgrund eines angepassten Strömungswiderstandes der Absorberkanäle die Strömungsgeschwindigkeit des Wärme aufnehmende Mediums in allen Absorberkanälen im Wesentlichen gleich ist.

Für den Fall, dass es sich um einen Solarabsorber mit nur einem einzigen Absorberkanal handelt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Absorberkanal, den Zulaufkanal und/oder den Ablaufkanal so zu gestalten, dass im Betrieb des Solarabsorbers aufgrund eines angepassten Strömungswiderstands des Absorberkanals die Strömungsgeschwindigkeit des Wärme aufnehmende Mediums im gesamten Querschnitt des Absorberkanals im Wesentlichen gleich ist.

Vorzugsweise sollen hierbei die Strömungsgeschwindigkeiten in den einzelnen Absorberkanälen bzw. innerhalb des Querschnitts des einen Absorberkanals um nicht mehr als +/–30 Prozent voneinander abweichen. Besonders bevorzugt weichen die Strömungsgeschwindigkeiten nicht mehr als +/–20 Prozent, insbesondere nicht mehr als +/–10 Prozent voneinander ab. Als Idealfall wäre eine Abweichung der Strömungsgeschwindigkeiten von +/–5 Prozent anzusehen.

Eine derartige Anpassung der Strömungswiderstände der einzelnen Kanäle mit der Folge, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Wärme aufnehmende Mediums in allen Absorberkanälen im wesentlichen gleich ist, führt dazu, dass die von dem Solarabsorber im Wärmeaufnahme-Bereich durch Sonneneinstrahlung aufgenommene Leistung bestmöglich abgeführt wird.

Vorzugsweise wird der erfindungsgemäße Solarabsorber unter dem Tichelmann-Prinzip betrieben, so dass das die Wärme aufnehmende Medium auf allen möglichen Wegen durch den Solarabsorber jeweils die gleiche Strecke zurücklegt. Auf diese Weise wird bei einer im Wesentlichen in allen Absorberkanälen gleichen Geschwindigkeit eine im Wesentlichen gleich lange Aufenthaltsdauer des Mediums in Wärmeaufnahme-Bereich gewährleistet, was weiterhin zu einer besseren Leistungsausbeute führt.

Vorteilhafterweise liegt die Strömungsgeschwindigkeit in den Absorberkanälen im gesamten Bereich der üblicherweise beim Betrieb vorkommenden Betriebsparameter des Solarabsorbers in einem festen Bereich, nämlich im Bereich von 0,005 m/s bis 0,4 m/s, insbesondere im Bereich von 0,01 m/s bis 0,2 m/s. Hierbei werden als übliche Parameter im Betrieb des Solarabsorbers eine Sonneneinstrahlungs-Leistung im Bereich von 100 Watt/m² bis 1000 Watt/m², eine Temperaturdifferenz zwischen dem zulaufenden und ablaufenden Wärme aufnehmende Medium im Bereich von 2 Kelvin bis 90 Kelvin, insbesondere im Bereich von 8 Kelvin bis 40 Kelvin und eine Betriebstemperatur des Wärme aufnehmenden Mediums im Bereich von 20 Grad Celsius bis 110 Grad Celsius angesehen.

Bei einer derart gewählten, verhältnismäßig geringen Strömungsgeschwindigkeit des Wärme aufnehmenden Mediums in den Absorberkanälen wird gewährleistet, dass keine laminare, geradlinige Strömung durch die Absorberkanäle mehr gegeben ist. Vielmehr kann man annehmen, dass die gesamte Menge des Wärme aufnehmenden Mediums beim Durchgang durch den Wärmeaufnahme-Bereich mit den Wänden der Absorberkanäle in Kontakt kommt, so dass auch die damit verbundene, verbesserte Wärmeübertragung zu einer insgesamt besseren Leistungsausbeute des Solarabsorbers beiträgt.

Weiterhin liegt die Temperatur des Wärme aufnehmenden Mediums im Betrieb des Solarabsorbers vorzugsweise beim Eintritt in den wenigstens einen Absorberkanal im Bereich von 10 Grad Celsius bis 80 Grad Celsius und beim Austritt aus dem wenigstens einen Absorberkanal im Bereich von 20 Grad Celsius bis 110 Grad Celsius.

Die erfindungsgemäße Anpassung des Strömungswiderstands der Absorberkanäle kann insbesondere durch eine Auswahl deren geometrischer Abmessungen erfolgen. Auch kann hierbei die Geometrie des Ablauf- bzw. Zulaufkanals und die damit verbundenen Strömungsverhältnisse im Inneren dieser Kanäle dazu verwendet werden, auf den Strömungswiderstand der Absorberkanäle einzuwirken.

Allerdings wäre auch denkbar, dass die Anpassung der Strömungswiderstands der Absorberkanäle durch die Wahl eines Wärme aufnehmenden Mediums mit einer geeigneten Viskosität erfolgt.

Vorzugsweise liegt die Viskosität des Wärme aufnehmende Mediums bei 20 Grad Celsius im Bereich von 1,0 bis 1,4 mm²/sec. Insbesondere kann es sich bei dem Wärme aufnehmende Medium um ein Gemisch aus Wasser und Glycol handeln. Besonders bevorzugt für den Betrieb des Solarabsorbers ist hierbei eine Wasser-Glycol-Mischung in einem Mischungsverhältnis Wasser:Glycol im Bereich von 4:1 bis 2:1 Gewichtsprozent.

Bei der Verwendung von Wasser oder einem Wassergemisch als Wärme aufnehmendes Medium kann es jedoch im Inneren des Solarabsorbers gegebenenfalls zu Korrosionsproblemen kommen. Demzufolge kann vorteilhafterweise dem Wärme aufnehmenden Medium auch eine Korrosionshemmende bzw. Korrosionsschützende Substanz beigemischt sein.

Um die die eingestrahlte Leistung aufnehmende Fläche zu vergrößern, können vorteilhafterweise mehrere gleichartige erfindungsgemäße Solarabsorber durch eine serielle Verbindung ihrer jeweiligen Zulaufkanäle und ihrer Ablaufkanäle zu einem Kollektorfeld verbunden werden. Hierbei erfolgt die Verbindung erfindungsgemäß derart, dass das Wärme aufnehmende Medium das gesamte Kollektorfeld weiterhin mit in allen Absorberkanälen im Wesentlichen gleichen Strömungsgeschwindigkeit durchläuft, insbesondere auch weiterhin nach dem Tichelmann-Prinzip.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Solarabsorber zwei voneinander beabstandete Absorberplatten, die in der Absorberplattenfläche in insbesondere regelmäßigen Abständen miteinander verbunden sind und randseitig abgedichtet sind. Diese randseitige Abdichtung kann auf eine beliebige Weise erfolgen, bevorzugt wird sie jedoch durch ein besonderes Schweißverfahren, einem sog. Rollnaht-Schweißen durchgeführt, bei dem die beiden Absorberplatten randseitig durch eine lineare Roll-Schweißnaht miteinander verbunden werden.

An den Stirnseiten der beiden Absorberplatten wird durch den zwischen ihnen gebildeten Spalt ein einzelner Absorberkanal gebildet. In diesem Fall erfolgt die Anpassung des Strömungswiderstands des Absorberkanals, also hier des Spalts, in Abhängigkeit der Länge T der Absorberplatten vorzugsweise durch eine geeignete Auswahl der Querschnittsform des Spalts. Insbesondere kann hier eine Anpassung des Strömungswiderstands durch eine Variation des Verhältnisses von Spaltbreite B zur Spaltlänge L erfolgen, wobei der Querschnitt des Spalts vorzugsweise eine näherungsweise rechteckige Grundform hat.

Bei einer üblicherweise verwendeten Länge T der Absorberplatten, also des Wärmeaufnahme-Bereichs des Solarabsorbers, im Bereich von einem 1000 Millimeter bis 6000 Millimeter wird eine erfindungsgemäße Anpassung des Strömungswiderstandes erreicht, indem das Verhältnis der Spaltbreite B zur Spaltlänge L im Bereich von 0,00025 bis 0,002 liegt. Insbesondere liegt erfindungsgemäß das Verhältnis der Spaltbreite B zur Spaltlänge L im Bereich von 0,00025 bis 0,00125, falls die Länge T der Absorberplatten im Bereich von 1000 Millimeter bis 3000 Millimeter liegt. Liegt die Länge T der Absorberplatten hingegen im Bereich von 3000 Millimeter bis 6000 Millimeter, so liegt erfindungsgemäß das Verhältnis der Spaltbreite B zur Spaltlänge L im Bereich von 0,00075 bis 0,002.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt die Spaltbreite im Bereich von 0,25 mm bis 2 mm.

Das Material der die Wände des Absorberkanals bildenden Absorberplatten ist vorzugsweise ein Material mit einem hohen Wärmeleitwert, d.h. Lambda » 15 W/m·K, damit die durch die Absorption der Sonneneinstrahlung aufgenommene Leistung möglichst gut an das den Absorberkanal durchlaufende, Wärme aufnehmende Medium weitergegeben werden kann. Insbesondere wäre hier ein Metall wie beispielsweise Stahl, Edelstahl oder Aluminium als Material für die Absorberplatten denkbar. Allerdings kommen auch spezielle, gut wärmeleitende Kunststoffe oder Keramikwerkstoffe in Betracht.

Um die Stabilität der Verbindung der beiden voneinander beabstandeten Absorberplatten zu gewährleisten, sind diese in der Strömungsrichtung des Wärme aufnehmenden Mediums punktförmig oder linienförmig miteinander verbunden. Insbesondere erfolgt diese Verbindung durch Verschweißungen, vorzugsweise durch Punktschweißungen.

Zur Ausbildung einer möglichst turbulenten Strömung im Inneren des Absorberkanals zum besseren Wärmeaustausch mit den Wänden des Kanals bei gleichzeitiger Schaltung möglichst gleichmäßiger Strömungsverhältnisse über die gesamte Breite des Wärmeaufnahme-Bereichs sind die Schweißpunkte, mit denen die bei den Absorberplatten miteinander verbunden sind, jeweils in gleichseitigen, identischen Dreiecken angeordnet. Dies wird dadurch erreicht, dass z. B. Schweißpunkte in zwei Sätzen zueinander paralleler Reihen angeordnet sind, wobei die beiden Sätze der Reihen jeweils "auf Lücke" zueinander versetzt sind. Somit ist ein Muster vorgegeben, das ein optimales, über den gesamten Querschnitt des Absorberkanals mit gleicher Strömungsgeschwindigkeit erfolgendes Durchströmen ermöglicht.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die einzelnen Schweißpunkte jeweils einen gegenseitigen Abstand von 15 bis 45 mm, bevorzugt 25 bis 35 mm und besonders bevorzugt von 30 mm zueinander aufweisen. Das heißt die Seitenlänge eines der vorstehend beschriebenen gleichseitigen Dreiecke beträgt besonders bevorzugt 30 mm.

Zu einer optimalen Stabilität des Absorbers wird der Durchmesser der bevorzugt runden Schweißpunkte in einem Bereich zwischen 2 bis 7 mm, bevorzugt 3 bis 6 mm und besonders bevorzugt 4 bis 5 mm gewählt.

Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Solarabsorbers wird vorgeschlagen, dass die beiden meist ebenen, evtl. auch gekrümmten und ursprünglich planen Absorberplatten, die im wesentlichen den späteren Wärmeaufnahme-Bereich bzw. den einzigen Absorberkanal bilden, an den gewünschten Stellen, die mit geeignetem Abstand voneinander gewählt sind, mit Punktverschweißungen gewünschten Durchmessers miteinander verschweißt werden. Randseitig werden die beiden Absorberplatten mit den gewünschten Abdichtungen versehen. Hierbei wird vorzugsweise ein Schweißverfahren unter Ausbildung einer Rollnaht verwendet.

Anschließend werden die miteinander punktverschweißten Absorberplatten zwischen zwei Anschlagsflächen angeordnet, die die spätere maximale Dicke des Solarabsorbers definieren.

Auf diese Weise kann bei einem vorgewählten Abstand zwischen den randseitigen Abdichtungen, was der späteren Spaltlänge entspricht, die spätere Spaltbrei te, die sich als Differenz der Dicke des Solarabsorbers und der Materialstärke der beiden Absorberplatten ergibt, so eingestellt werden, dass das Verhältnis zwischen Spaltlänge und Spaltbreite abhängig von der Länge der Absorberplatten in dem erfindungsgemäßen Bereich liegt.

Anschließend wird das Innere des Solarabsorbers bzw. der Spalt zwischen den Absorberplatten mit einem Fluid unter Druck beaufschlagt, so dass das Innere des Solarabsorbers unter Druck steht. Dadurch wird der Solarabsorber „aufgeblasen", wobei die Ausdehnung durch die den Absorberplatten in einem definierten Abstand benachbarten Anschlagsflächen begrenzt ist, an die die Absorberplatten bei der Druckbeaufschlagung anstoßen. Bei geeigneter Wahl des Absorberplattenmaterials, wie z. B. die vorstehend beschriebenen Metalle, sowie bei geeigneter Wahl der Dicke der Absorberplatten, verfügen die Absorberplatten über eine ausreichende Elastizität bzw. ein ausreichendes Dehnungsvermögen, um sich zwischen den Schweißpunkten, an denen sie fest miteinander verbunden sind, aufzublasen bzw. auszuformen.

Das Fluid, mit dem das Innere des Solarabsorbers beaufschlagt wird, kann hierbei vorzugsweise eine Korrosionshemmende und/oder Korrosionsschützende Wirkung aufweisen. Dies kann beispielsweise durch das Beimischen eines entsprechenden, gewerblich erhältlichen Korrosionsschutzmittels oder ähnlichem erreicht werden.

Aufgrund des beim Aufblasen verwendeten Drucks, der vorzugsweise im Bereich von 15.000 bis 40.000 hPa liegt, wird das Fluid und somit auch dessen Korrosionsschützender bzw. Korrosionshemmender Bestandteil bis in die letzten Hohlräume im Inneren des Solarabsorbers gedrückt. Da der spätere Betriebsdruck des Solarabsorbers um mehrere Größenordnungen niedriger liegt und somit der korrosionsschützende bzw. korrosionshemmende Bestandteil in den schwer zugänglichen Hohlräumen verbleibt, legt sich gewissermaßen über das gesamte Innere des Solarabsorbers eine Schutzschicht mit korrosionsschützender bzw. korrosionshemmender Wirkung.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden Beschreibungsteil entnehmen, in dem anhand von Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher dargestellt ist. Es zeigen:
1: eine perspektivische Aufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Solarabsorbers,
2: eine perspektivische Ansicht eines horizontalen Schnitts durch den erfindungsgemäßen Solarabsorber aus 1,
3: einen vertikalen Schnitt durch einen Zu- bzw. Ablaufkanals des erfindungsgemäßen Solarabsorbers aus 1, und
4: eine schematische Detail-Darstellung eines vertikalen Schnittes durch den Übergangsbereich vom Zu- bzw. Ablaufkanal in den Wärmeaufnahme-Bereich des erfindungsgemäßen Solarabsorbers aus 1.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Solarabsorbers 1, während eine perspektivische Ansicht eines horizontalen Schnitts durch die Mittelebene dieses Solarabsorbers 1 in 2 dargestellt ist. Der Solarabsorber 1 weist einen Wärmeaufnahme-Bereich 2 auf, der im vorliegenden Fall aus zwei übereinander liegenden Absorberplatten 3a, b gebildet wird. Aus den schematischen Darstellungen in 1 und 2 sind die Anordnung der Punktverschweißungen 4, mit denen die beiden den Solarabsorber 1 bildenden Absorberplatten 3a, b miteinander verbunden sind, ersichtlich.
Die Punktverschweißungen 4 sind in regelmäßigen, gleichseitigen Dreiecken angeordnet, deren jeweiligen Seitenlänge a den gegenseitigen Abstand der Punktverschweißungen 4 bildet. Prinzipiell sind auch andere Muster oder Anordnungen der Punktverschweißungen 4 möglich, jedoch bietet diese Ausgestaltung den Vorteil, dass sich dadurch gleichförmige, im wesentlichen dreieckige Ausbeulungen zwischen den Punktverschweißungen 4 beim Aufblasen des Solarabsorbers 1 ergeben, die eine hohe Stabilität des Absorbers und eine möglichst turbulente und über die gesamte Breite des Wärmeaufnahmebereichs 2 gleichmäßige Durchströmung des Solarabsorbers 1 durch das Wärme aufnehmende Medium im Betrieb gewährleistet.
Zur Vereinfachung der Darstellung sind in den Figuren die an sich bekannten weiteren Bestandteile des dem erfindungsgemäßen Solarabsorber 1 umfassenden Solarkollektors wie Zu- und Abführleitungen, Umwälzpumpen etc. nicht abgebildet.
Die Punktverschweißungen 4, die vom Fachmann in an sich bekannter Weise vor dem Aufblasen des Solarabsorbers 1 an den Absorberplatten 3a, b zu deren Verbindung anbringbar sind, weisen bevorzugt einen Durchmesser d von 2 bis 7 mm, bevorzugt 3 bis 6 mm und besonders bevorzugt 4 bis 5 mm auf.
Randseitig sind die den Wärmebereich 2 des Solarabsorbers 1 bildenden Absorberplatten 3a, b jeweils durch eine Rollnaht 5 abgedichtet, die bei der Herstellung der Abdichtung zwischen Absorberplatten 3a, b mittels eines Rollnaht-Schweißverfahrens entsteht.
Die beiden Absorberplatten 3a, b sind voneinander beabstandet, wodurch zwischen den beiden Absorberplatten 3a, b ein Spalt 6 gebildet wird, wie in den 3 und 4 dargestellt ist. Dieser Spalt 6 bildet in diesem Fall den einzigen Absorberkanal 16 des erfindungsgemäßen Solarabsorbers 1.
An den beiden Stirnseiten der Absorberplatten 3a, b, zu denen sich der Spalt 6 öffnet, sind ein Zulaufkanal 7a bzw. ein Ablaufkanal 7b angeordnet, die hier jeweils durch entsprechende durch Sammelrohre gebildet werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist in jedes offene Ende der Kanäle 7a, b Anschlussstutzen 8 eingebracht, der zum einen zu Stabilität der Kanäle 7a, b beiträgt und es zum anderen ermöglicht, mehrere erfindungsgemäßes Solarabsorber 1 durch z.B. Ineinanderstecken oder Verschrauben oder Verpressen miteinander zu verbinden. Hierbei ist klar, dass sowohl bei der Verwendung eines einzelnen Solarabsorbers 1 als auch beim Hintereinanderschalten mehrerer erfindungsgemäßer Solarabsorber 1 jeweils ein Ende des Zulaufkanals 7a und des Ablaufkanals 7b zum Betrieb des Solarabsorbers 1 dicht abgeschlossen sein muss, da nur in diesem Fall das Wärme aufnehmende Medium im Tichelmann-Prinzip durch den Wärmeaufnahme-Bereich 2 geführt wird.
Vorzugsweise stimmt hierbei die Einstecktiefe der Anschlussstutzen 8 ins Innere der Kanäle 7a, b mit dem randseitigen Abstand R zwischen der Seitenkante der Absorberplatten 3a, b und der Rollnaht 5 überein, sodass der Spalt 6 durch die Anschlussstutzen 8 nicht überdeckt wird.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der erfindungsgemäße Solarabsorber 1 nach dem Tichelmann-Prinzip betrieben, d. h. das Wärme aufnehmende Medium strömt beispielsweise in der mit Z bezeichneten Richtung in den Zulaufkanal 7a, tritt von diesem durch den Spalt 6 in den Absorberkanal 16 des Wärmeaufnahme-Bereichs 2 ein. Nach der Durchströmung des Absorberkanals 16 tritt das Wärme aufnehmende Medium dann in den Ablaufkanal 7b und strömt aus diesem in Richtung A wieder aus.
Unter der Annahme, dass das Wärme aufnehmende Medium den Absorberkanal 16 in einer im wesentlichen senkrecht zum Ablaufkanal 7b bzw. Zulaufkanal 7a stehenden Richtung durchströmt, ist offensichtlich, dass das Wärme aufnehmende Medium beim durchströmen des Solarabsorbers 1 im wesentlichen immer denselben Weg zurückgelegt, unabhängig davon an welchem Punkt es von dem Zulaufkanal 7a in den Wärmeaufnahme-Bereich 2 eintritt.
Die geometrischen Abmessungen des Spaltes 6 und somit des Absorberkanals 16 werden im Wesentlichen durch die Länge L und Breite B des Spalts bestimmt. In dem konkreten Ausführungsbeispiel beträgt die Länge L 960 mm und die Breite B beträgt 0,6 mm, 0,7 mm oder 1,0 mm, jeweils abhängig von der gewählten Länge T der Absorberplatten 3a, b bzw. des Wärmeaufnahme-Bereichs 2 von 2350 mm, 4000 mm bzw. 6000 mm.
Durch die Wahl des Verhältnisses von B zu L wird erfindungsgemäß erreicht, dass der Strömungswiderstand des Absorberkanals 16 so angepasst wird, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Wärme aufnehmenden Mediums über dem gesamten Querschnitt des Spalts und über dem gesamten Querschnitt des Absorberkanals 16 gleichmäßig ist.
Die oben erwähnte Verwendung mehrerer hintereinander geschalteter erfindungsgemäßer Solarabsorber 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit einem einzigen Absorberkanal 16 ist hierbei äquivalent zu einem erfindungsgemäßen Solarabsorber mit mehreren Absorberkanälen, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des Wärme aufnehmende Medium in allen Absorberkanälen im wesentlichen gleich ist.
Als Wärme aufnehmendes Medium wird im vorliegenden Fall eine Mischung von Wasser und Glycol in einem Mischungsverhältnis von 2:1 Gewichtsprozent verwendet, wobei dieser Mischung als korrosionshemmender Bestandteil zusätzlich ein geringer Prozentsatz von unter 20% beigemischt ist.
Die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarabsorbers 1 zeichnet sich dadurch aus, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Wärme aufnehmende Mediums im Absorberkanals 16 im Betrieb unter den üblichen Betriebsparametern des Solarabsorbers 1 in einem Bereich von 0,01 m/s bis 0,2 m/s liegt.
Zur Herstellung des Solarabsorbers 1 nach der vorliegenden Ausführungsform werden zunächst die Absorberplatten 3a, b plan aneinander gelegt und in den beschriebenen Abständen miteinander punktförmig verschweißt und randseitig mit einer Rollnaht 5 abgedichtet. Daraufhin werden die miteinander punktverschweißten Absorberplatten 3a, b zwischen Anschlagflächen gelegt, deren Abstand der späteren Dicke D des Solarabsorbers 1 in seinem Wärmeaufnahme-Bereich 2 entspricht. Nun wird der Spalt 6 zwischen den Absorberplatten 3a, b mit einem Fluid druckbeaufschlagt, wobei die Absorberplatten 3a, b dauerhaft zwischen den Punktverschweißungen 4 nach außen bis zur Anlage an den Anschlagflächen „aufgeblasen" werden.
Die weitere Ausstattung des Solarabsorbers mit randseitigen Abdichtungen, Förder- und Steuereinrichtungen für das Wärmetauscherfluid, insbesondere angeformten Zu- und Abführeinrichtungen für das Wärmetauscherfluid etc. sowie dessen Einsatz in einem geschlossenen Wärmetauscherkreislauf z. B. zur Beheizung eines Gebäudes ist dem Fachmann in bekannter Weise möglich.

1: Solarabsorber
2: Wärmeaufnahme-Bereich
3a, b: Absorberplatten
4: Punktverschweißung
5: Rollnaht
6: Spalt
7a: Zulaufkanal
7b: Ablaufkanal
8: Anschlussstutzen
16: Absorberkanal
a: Abstand zwischen zwei benachbarten Punktverschweißungen
d: Durchmesser einer Punktverschweißung
D: Dicke des Solarabsorbers im Wärmeaufnahme-Bereich
Z: Zulaufrichtung des Wärme aufnehmende Mediums
A: Ablaufrichtung des Wärme aufnehmende Mediums
L: Länge des Spalts 6
B: Breite des Spalts 6
T: Länge der Absorberplatten

Claims

Solarabsorber (1) mit wenigstens zwei Absorberkanälen (16) sowie einem Zulauf- (7a) und einem Ablaufkanal (7b), mit denen die wenigstens zwei Absorberkanäle (16) zum Durchfluss eines Wärme aufnehmenden Mediums jeweils dicht verbunden sind, wobei die wenigstens zwei Absorberkanäle (16) durch einen Spalt (6) zwischen zwei voneinander beabstandeten Absorberplatten (3a, b) gebildet werden, die in der Absorberplattenfläche in Abständen miteinander verbunden und randseitig abgedichtet sind und der Spalt (6) so gestaltet ist, dass im Betrieb des Absorbers (1) aufgrund eines angepassten Strömungswiderstands der wenigstens zwei Absorberkanäle (16) die Strömungsgeschwindigkeit des Wärme aufnehmenden Mediums in allen Absorberkanälen (16) im Wesentlichen gleich ist, wobei die Anpassung des Strömungswiderstands des Spalts (6) in Abhängigkeit der Länge (T) der Absorberplatten (3a, b) im Wesentlichen durch eine geeignete Auswahl der Querschnittform des Spalts (6) erfolgt.
Solarabsorber (1) mit wenigstens einem Absorberkanal (16) sowie einem Zulauf- (7a) und einem Ablaufkanal (7b), mit denen der wenigstens eine Absorberkanal (16) zum Durchfluss eines Wärme aufnehmenden Mediums jeweils dicht verbunden ist, wobei der wenigstens eine Absorberkanal durch einen Spalt (6) zwischen zwei voneinander beabstandeten Absorberplatten (3a, b) gebildet wird, die in der Absorberplattenfläche in Abständen miteinander verbunden und randseitig abgedichtet sind und der Spalt (6) so gestaltet ist, dass im Betrieb des Absorbers (1) aufgrund eines angepassten Strömungswiderstands des wenigstens einen Absorberkanals (16) die Strömungsgeschwindigkeit des Wärme aufnehmenden Mediums im gesamten Querschnitt des Absorberkanals (16) im Wesentlichen gleich ist, wobei die Anpassung des Strömungswiderstands des Spalts (6) in Abhängigkeit der Länge (T) der Absorberplatten (3a, b) im Wesentlichen durch eine geeignete Auswahl der Querschnittform des Spalts (6) erfolgt.
Solarabsorber (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des Strömungswiderstands des Spalts (6) in Abhängigkeit der Länge der Absorberplatten (3a, b) im Wesentlichen durch eine geeignete Auswahl des Verhältnisses dessen Breite (B) zu seiner Länge (L) erfolgt.
Solarabsorber (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Länge (T) der Absorberplatten (3a, b) im Bereich von 1000 mm bis 6000 mm das Verhältnis der Breite (B) des Spalts (6) zu seiner Länge (L) im Bereich von 0,00025 bis 0,002 liegt
Solarabsorber (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Länge (T) der Absorberplatten (3a, b) im Bereich von 1000 mm bis 3000 mm das Verhältnis der Breite (B) des Spalts (6) zu seiner Länge (L) im Bereich von 0,00025 bis 0,00125 liegt und dass bei einer Länge (T) der Absorberplatten (3a, b) im Bereich von 3000 mm bis 6000 mm das Verhältnis der Breite (B) des Spalts (6) zu seiner Länge (L) im Bereich von 0,00075 bis 0,002 liegt
Solarabsorber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Wärme aufnehmenden Mediums in den Absorberkanälen (16) beim Betrieb des Kollektors (1) mit – einer Sonneneinstrahlungs-Leistung im Bereich von 100 W/m² bis 1000 W/m², – einer Temperaturdifferenz zwischen dem zulaufenden und ablaufenden Wärme aufnehmenden Medium im Bereich von 2 Kelvin bis 90 Kelvin, insbesondere im Bereich von 8 Kelvin bis 40 Kelvin und – einer Betriebstemperatur des Wärme aufnehmenden Medium im Bereich von 20 Grad Celsius bis 110 Grad Celsius in einem Bereich von 0,005 m/s bis 0,4 m/s, insbesondere im Bereich von 0,01 m/s bis 0,2 m/s liegt.
Solarabsorber (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Absorberkanal (16) von dem Wärme aufnehmenden Medium nach dem Tichelmann-Prinzip durchlaufen wird.
Solarabsorber (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) des Spalts (6) im Bereich von 0,25 bis 2 mm liegt.
Solarabsorber (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberplatten (3a, b) aus einem Material mit einem Wärmeleitwert λ > 15 W/m·K bestehen, beispielsweise Metall, insbesondere Stahl, insbesondere Edelstahl oder Aluminium.
Solarabsorber (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität des Wärme aufnehmenden Mediums bei 20 Grad Celsius im Bereich von 1, 0 bis 1,4 mm²/sec liegt.
Solarabsorber (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Wärme aufnehmenden Medium um ein Wasser-Glycol-Gemisch handelt, insbesondere in einem Mischungsverhältnis im Bereich von 4:1 bis 2:1 Gewichts-%.
Solarabsorber (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Wärme aufnehmenden Mediums beim Eintritt in den wenigstens einen Absorberkanal (16) im Bereich von 10 Grad Celsius bis 80 Grad Celsius und beim Austritt aus dem wenigstens einen Absorberkanal (16) im Bereich von 20 Grad Celsius bis 110 Grad Celsius liegt.
Solarabsorber (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarabsorber (1) so ausgebildet ist, dass mehrere gleichartige Solarabsorber (1) durch eine serielle Verbindung ihrer jeweiligen Zulaufkanäle (7a) bzw. Ablaufkanäle (7b) zu einem Kollektorfeld verbindbar sind, wobei das Wärme aufnehmende Medium das Kollektorfeld weiterhin nach dem Tichelmann-Prinzip mit in allen Absorberkanälen (16) im Wesentlichen gleicher Strömungsgeschwindigkeit durchläuft.
Solarabsorber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei voneinander beabstandeten Absorberplatten (3a, b) punktförmig oder linienförmig in Strömungsrichtung miteinander verbunden sind.
Solarabsorber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen Verschweißungen, insbesondere Punktverschweißungen (4), sind.
Solarabsorber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsbereiche, insbesondere die Schweißpunkte (4), in einem Muster gleichseitiger Dreiecke angeordnet sind.
Solarabsorber (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsbereiche, insbesondere die Schweißpunkte (4), jeweils einen gegenseitigen Abstand (a) von 15 bis 45 mm, insbesondere 25 bis 35 mm, insbesondere 30 mm aufweisen.
Solarabsorber (1) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsbereiche, insbesondere die Schweißpunkte (4), jeweils einen Durchmesser (d) zwischen 2 bis 7 mm, insbesondere 3 bis 6 mm, insbesondere 4 bis 5 mm aufweisen.
Solarabsorber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die voneinander beabstandeten Absorberplatten (3a, b) in der Absorberplattenfläche in regelmäßigen Abständen miteinander verbunden sind.
Solarabsorber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die voneinander beabstandeten Absorberplatten (3a, b) randseitig durch eine Roll-Schweißnaht (5) abgedichtet sind.