DE19633106A1 - Solar-Flachkollektor mit Absorberflüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Solar-Flachkollektor, der von einer eingefärbten Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt wird, in der die Globalstrahlung absorbiert wird.

Sonnenkollektoren werden eingesetzt, um die Energie der Globalstrahlung der Sonne zu absorbieren und in nutzbare Wärmeenergie für die Warmwasserbereitung umzuwandeln.

Bekannt sind dabei Konstruktionsvarianten, bei denen die Umwandlung der Globalstrahlung in Wärmeenergie in einem metallischen, flächenhaften Absorber mit einer geeigneten Einfärbung oder Oxydation der Oberfläche des Absorbtions­ körpers erfolgt. Diese Einfärbung oder Oxydation der Oberfläche erfolgt zur maximalen Absorbtion des Sonnenlichtes und minimalen Emission des erwärmten Kollektors (selektive Beschichtung).

Der Absorbtionskörper bzw. das Absorbtionsblech ist in regelmäßigen Abständen wärmeschlüssig mit einem Rohrsystem hinterlegt, das mit einer im Umlauf befind­ lichen Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt ist und die vom Absorbtionskörper über­ tragene Wärme in einen Speicher, z. B. einen Boiler transportiert. Die Abgabe der Wärme aus der Trägerflüssigkeit an den Speicher erfolgt über bekannte Wärmetauscher.

Die Nachteile dieser Konstruktionen bestehen darin, daß die Wärme mehrfach übertragen werden muß, d. h. von der beschichteten Oberfläche des Absorber­ bleches in das Blech, innerhalb des Bleches zum Rohrsystem, durch die Rohrwand in die Wärmeträgerflüssigkeit.

Die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung ist von vielerlei Faktoren des ver­ wendeten Materials abhängig. Es entstehen hohe Oberflächentemperaturen und diese sind die Ursache für die durch Emission hervorgerufenen Wärmeverluste und den Wirkungsgrad des Kollektors.

Ein weiterer Nachteil ist die ungleichmäßige Verteilung des Wärmeabtransportes auf der Kollektoroberfläche, da in den bekannten Rohrsystemen ungleich verteilte Strömungsverhältnisse herrschen.

In der DE-OS 26 08 302 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auffangen von Sonnenenergie beschrieben, bei dem in einer Kammer ein Wärmeübertragungsmedium enthalten ist, das an ein Umwälzsystem mit Wärmeaustauscher angeschlossen ist, wobei die Wärmeabsorbtionsflüssigkeit ein hohes Absorbtionsvermögen für Wärmestrahlen in einem Wellenlängenbereich von 0,8 × 10^-3 bis 400 × 10^-3 mm verwendet wird. Die Wärmeabsorbtionsflüssigkeit besteht dabei aus dunkel gefärbtem Wasser.

Als eine Variante wird auch vorgeschlagen, der Absorbtionsflüssigkeit ein Öl zu zusetzen, dessen Oberfläche ein geringes Reflexionsvermögen aufweist. Jedes Wärmeabsorbtionselement besteht dabei aus biegsamen Kunststoffolien. Die hintere Begrenzungsschicht der Absorbtionskammer weist eine der Sonnen­ strahlung zugewandte Reflexionsschicht auf.

Der Nachteil dieser Einrichtung besteht darin, daß an das Umwälzsystem ein Wärmetauscher nachgeordnet ist, wodurch Wärmeverluste unvermeidbar sind. Eine Vielzahl miteinander verbundener Schläuche sind in Kammern angeordnet, die somit einen hohen technologischen Aufwand darstellen.

Aus der DE-OS 27 12 411 ist ebenfalls bekannt, das fluide Medium selbst als Ab­ sorber einzusetzen, indem die eingesetzte Flüssigkeit eingefärbt ist. Die Färbung wird durch Gemische, Gemenge, Emulsionen erreicht. Weiterhin ist vorgesehen, daß für den Ablauf definierter chemischer Reaktionen zweckmäßige Katalysatoren dem fluiden Medium beigefügt sind.

Konkrete konstruktive Lösungsansätze sind nicht erkennbar. Weiterhin besteht der Nachteil darin, daß keine Maßnahmen gegen Überhitzungen vorgesehen sind.

In der DE-OS 27 58 715 wird ein Sonnenkollektor beschrieben, der aus einem durchsichtigem Kollektor und speziell gefärbter Flüssigkeit besteht.

Die Flüssigkeit wird mit anorganischen Salzen angefärbt, z. B. mit Chrom- und Kupfersalzen. Ziel der Einfärbung ist die Absorbtion des Sonnenlichtes unter Bei­ behaltung der für die Fotosynthese wichtigen Wellenlängen, um den Einsatz des Kollektors z. B. in Gewächshäusern zu gewährleisten.

Der Nachteil besteht in einem nicht unerheblichen konstruktiven Aufwand und in einem nicht vordergründig optimalem Wirkungsgrad.

In der DE 28 29 708 besteht der Gegenstand der Erfindung in einem Absorber für einen Sonnenkollektor, welcher von einer die Wärmeenergie transportierenden Flüssigkeit durchströmt wird und welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß die die Wärmeenergie transportierende Flüssigkeit ein die Sonnenenergie absorbierendes Pigment dispergiert und/oder einen Farbstoff gelöst enthält.

Als Material, daß mindestens 50% der Globalstrahlung durchläßt, kann eingesetzt werden:

Polymethylmetacrylat, Polycarbonat, Polystyrol, PVC, glasfaserverstärktes Polyesterharz, Quarzglas, Silikonkautschuk.

Die Wärmeenergie transportierende Flüssigkeit kann aus Wasser, einem Gemisch aus Wasser und Äthylenglykol, Kohlenwasserstoff Alkohol, Äther, Ester, Silikonöl und Gemischen dieser Flüssigkeiten bestehen.

Nachteilig ist das Fehlen konkreter konstruktiver Lösungen und Vorkehrungen zur Vermeidung von Überhitzungen.

Alle bekannten und beschriebenen Einrichtungen zum Stand der Technik weisen den Nachteil auf; daß keine Maßnahmen zur Vermeidung von Überhitzungen vor­ gesehen sind, die bei Stillstand des Kollektors bei voller Einstrahlungsleistung er­ reicht werden können und sich nachteilig auf die Langzeitparameter des Kollektors auswirken. Außerdem kann wegen des Auftretens hoher Stillstandstemperaturen kein Einsatz einer kostengünstigen Transparenten Wärmedämmung (TWD) aus Kunststoff erfolgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine technologisch vorteilhafte Konstruktion für einen Solar-Flachkollektor zu schaffen, der die Globalstrahlung maximal absorbiert, verlustarm wirksam ist und Überhitzungen beim Stillstand des Kollektors und Schäden bei Frost vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Absorber gleich­ zeitig die Wärmeträgerflüssigkeit ist und so eingefärbt ist, daß die Globalstrahlung unmittelbar in Wärmeenergie umgewandelt wird, eine Restabsorbtion durch eine Reflexionsschicht auf der Kollektorbodenwanne erfolgt, wobei für den Kollektor vorteilhafterweise auf bekannte Bauteile aus der Heizkörperfertigung zurück­ gegriffen wird.

Überhitzungen, z. B. bei Stillstand des Wärmeaustauschers, werden vermieden, indem bei Erreichen einer maximal zulässigen Temperatur die Absorberflüssigkeit in ein Depot geregelt abgelassen und bei Unterschreiten einer Tieftemperatur wieder in den Kollektor gepumpt wird. Dazu ist eine Regelungseinrichtung vor­ gesehen, die temperaturabhängig Ventile und Pumpe in diesem Kreislauf schaltet.

Konstruktiv besteht der Kollektor aus einer bekannten Metallwanne mit parallelen Stegen und Kanälen für die Durchströmung der Wärmeträgerflüssigkeit, die mit einer Glasscheibe oder Kunststoffscheibe dicht abgedeckt ist. Ein- und Auslaß­ öffnung sind diagonal zueinander in der Metallwanne angeordnet. Zur Isolation ist die Metallwanne von einer Wärmedämmung umgeben.

In einer konstruktiven Ausgestaltung ist über der Glas- oder Kunststoffscheibe eine Transparente Wärmedämmung (TWD) mit einer Abdeckfolie vorgesehen, die den Wirkungsgrad des Kollektors wesentlich erhöht.

In einer besonderen konstruktiven Ausgestaltung besteht der Kollektor aus ein­ zelnen baugleichen Kollektorelementen, die vorteilhaft die Form von Dachziegeln aufweisen und zu einer gewünschten Kollektorgröße zusammengefügt werden können. Diese Ausführungen lassen sich in Ziegeldächer besonders vorteilhaft ein­ binden.

Die Einlaß- und die Auslaßöffnungen der einzelnen Kollektorelemente sind so ge­ staltet und angeordnet, daß jeweils die Einlaßöffnung eines Kollektorelementes mit der Auslaßöffnung eines weiteren Kolektorelementes dicht zusammengesteckt werden.

Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke wird in der nachfolgenden Be­ schreibung anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung näher dar­ gestellt ist, näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 Schnittdarstellung durch den Solar-Flachkollektor;

Fig. 2 Darstellung der Strömungsverhältnisse im Kollektor;

Fig. 3 Prinzipdarstellung des Regelkreises bei Überhitzung im Stillstand;

Fig. 4 Schnittdarstellung des Kollektors gem. Fig. 1 mit Transparenter Wärmedämmung;

Fig. 5 Schnittdarstellung eines Kollektorelementes in Ausführung einer Dachziegel;

Fig. 6 Draufsicht gem. Fig. 5 mit Einlauf- und Auslauföffnung;

Fig. 7 Prinzipdarstellung der Anordnung mehrerer Kollektorelemente, z. B. Dachziegelform;

Fig. 8 Schnittdarstellung eines Kollektorelementes in Ausführung einer Dachziegel mit Rohrverbinder;

Fig. 9 Darstellung eines Rohrverbinders;
Der Solar-Flachkollektor besteht aus einer flachen Metallwanne 1 mit parallel an­ geordneten Stegen 2 und damit gebildeten Kanälen 8.

Die Metallwanne 1 ist mit einer aufgesetzten Glas- oder Kunststoffscheibe 3 abgedeckt und mittels Dichtung 4 und Klebeverbindung wasserdicht verbunden. Die in der Metallwanne 1 vorhandenen Stege 2 erfüllen im Kollektor die Aufgabe von Flußleitstegen und tragen gleichzeitig zur mechanischen Stabilität bei.

Die Glas- oder Kunststoffscheibe 3 ist mit den Stegen 2 punkt- oder linienförmig durch Vernieten, Kleben oder Anschmelzen verbunden.

Einlaßöffnung 5 und Auslaßöffnung 7 des Kollektors sind in der Metallwanne 1 diagonal zueinander angeordnet und münden jeweils zwischen den Stegen 2.

Der Querschnitt aller Kanäle 8 für die Absorbtions- und Wärmeträgerflüssigkeit 6 ist etwa 13fach größer als der Querschnitt der Einlaß- und Auslaßöffnung 5 und 7. Mit diesem Querschnittsverhältnis wird strömungstechnisch die notwendige Ver­ weilzeit des Absorbers in der Globalstrahlung erreicht.

Die Glasscheibe 3 ist zur Verbesserung der Strahlendurchlässigkeit in Ein­ strahlungsrichtung mit einer Antireflexschicht versehen.

Zur Vermeidung von Wärmeverlusten ist der Kollektor 1 und 3 in einer der Form der Metallwanne 1 angepaßten Wärmedämmung 9 eingesetzt. Nach der Seite des Lichteinfalls auf den Kollektor wird dieser mit einer Sicherheitsglasabdeckung 10 versehen.

Die Metallwanne 1 weist zusätzlich eine Reflexionsschicht 11 auf; um eine Rest­ strahlung nochmals in die Absorberflüssigkeit zu reflektieren.

Aus Fig. 2 lassen sich annähernd die Strömungsverhältnisse der Absorberflüssigkeit im Kollektor erkennen. Die Querschnitte der Kanäle 8 sind so gewählt, daß eine genügend große Verweilzeit der Absorber- und Wärmeträgerflüssigkeit in der Strahlung zwischen Einlaßöffnung 5 und Auslaßöffnung 7 besteht.

Zur Vermeidung einer Überhitzung bei Stillstand wird der Absorber bei Erreichen einer zulässigen Höchsttemperatur in ein nicht der Strahlung ausgesetztes Depot 12 (Fig. 3) gepumpt und bei Bedarf bzw. bei Erreichen einer Tieftemperatur wieder in den Kollektor geleitet. Zur Überwachung dieser Sicherheitsvorkehrung ist eine elektronische Regelungseinrichtung 13 vorgesehen, die Ventil 14 und die Pumpe 15 schaltet. Dazu werden die Temperaturparameter des Kollektors und des Warmwasserspeichers ausgewertet.

In Fig. 4 ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kollektors zwischen der Glas- oder Kunststoffscheibe 2 und der Sicherheitsglasabdeckung 10 eine Transparente Wärmedämmung (TWD) 16 angeordnet, wodurch der Wirkungsgrad des Kollektors erhöht wird.

Zur besseren Einbindung des Kollektors in Ziegeldächer ist der erfindungsgemaße Kollektor in Dachziegelform (Fig. 5) entwickelt worden, der somit ein Kollektor­ element darstellt, das bei Mehrfachanordnung zur gewünschten Kollektorgröße zusammengefügt werden kann. Die Einlaßöffnung 5 ist dabei als Muffe und die Auslaßöffnung als Rohrstutzen ausgebildet.

In einer weiteren Variante (Fig. 8) hat das Kollektorelement an allen Ecken gleich ausgebildete Einlaßöffnungen, wobei die Verbindungen der Elemente untereinander durch spezielle Rohiverbinder mit Gummidichtung (Fig. 9) verbunden werden. Nicht benötigte Einlaßöffnungen werden mit einem Stopfen verschlossen.

Während der Hohlraum 17 vom Absorber durchströmt wird, hat der vorgelagerte Hohlraum 18 die Aufgabe, Konvektionsverluste zu verhindern.

Aus Fig. 6 ist ebenfalls die diagonale Anordnung von Einlaßöffnung und Auslaß­ öffnung in einem Ziegelelement deutlich erkennbar.

In Fig. 7 ist die flächenhafte Anordnung mehrerer Ziegelelemente gem. Fig. 5 und 6 zu einem gemeinsamen Kollektor deutlich dargestellt. Die Einlaß- und Auslaß­ öffnungen 5 und 7 sind jeweils mit Gummidichtungen versehen, so daß die einzel­ nen Kollektorelemente dicht zusammengefügt werden können. Für eine vorteilhafte flächenhafte Verlegung der einzelnen Ziegelelemente sind zwei verschiedene Ziegeln erforderlich, nämlich einmal die Anordnung der diagonalen Öffnungen 5 und 7 von links oben und rechts unten, und zum anderen von links unten und rechts oben.

Vorstehend ist die Erfindung anhand ausgewählter Merkmale beschrieben und dar­ gestellt worden. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Darstellung beschränkt, sondern vielmehr können sämtliche Merkmale allein oder in beliebiger Kombination, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen, verwendet werden.

Claims (15)

1. Solar-Flachkollektor mit Absorberflüssigkeit zur Absorbtion der Global­ strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor aus einer Metallwanne (1) mit mehreren parallel angeordneten Kanälen (8) bildenden Stegen (2) be­ steht, die von einer Glasscheibe (3) mit einer hohen Transmission für die Globalstrahlung der Sonne dicht abgedeckt ist, eine Einlaß- und eine Auslaß­ öffnung (5; 7) angeordnet sind, wobei der Querschnitt der Einlaßöffnung (5) für die Absorberflüssigkeit (6) in einem Verhältnis von 1 zu 12 bis 13 zum Querschnitt der Flußleitkanäle (8) steht und die Metallwanne (1) und die Glas­ scheibe (3) dauerhaft miteinander dicht verklebt sind und die Absorberflüssig­ keit (6) gleichzeitig Wärmeträgerflüssigkeit ist.

2. Solar-Flachkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab­ sorberflüssigkeit (6) die Lösung eines Farbstoffes ist und eine Absorbtion des Sonnenlichtes im Bereich von 300-3000 nm aufweist.

3. Solar-Flachkollektor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorbtionsflüssigkeit (6) eine kolloide Dispersion ist und eine Absorbtion des Sonnenlichtes im Bereich von 300-3000 nm aufweist.

4. Solar-Flachkollektor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorbtionsflüssigkeit (6) Zusätze von Dispersionen aus Graphit, Tonen oder Schwermetallsulfiden enthält.

5. Solar-Flachkollektor nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Ablauf (19) der Absorberflüssigkeit (6) in ein Depot (12) bei Erreichen einer zulässigen Maximal- oder Minimaltemperatur durch Anordnung eines Temperatursensors (20) in der Absorberflüssigkeit (6).

6. Solar-Flachkollektor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ablauf (19) und Depot (12) ein Ventil (14) und eine Pumpe (15) angeordnet sind, die über eine temperaturabhängige Regelungseinrichtung (13) geschaltet werden.

7. Solar-Flachkollektor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unter- oder Überschreitung der Regeltemperatur über den Ablauf (19) und Depot (12) ein Auffüllen des Kollektors gesteuert und damit die Funktionsfähigkeit des Kollektors erreicht wird.

8. Solar-Flachkollektor nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor über der Glas- oder Kunststoffscheibe (3) eine Transparente Wärmedämmung TWD (16) aufweist, die aus einem Kunststoff besteht.

9. Solar-Flachkollektor nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallwanne (1) eine Restabsorbtion bewirkende Reflexionsschicht (11) aufweist.

10. Solar-Flachkollektor nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor die Form einer lichtdurchlässigen Dachziegel (Fig. 5) auf-weist und in ein Ziegeldach integriert wird.

11. Solar-Flachkollektor nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulauf(S) und der Ablauf (7) in der Dachziegel (Fig. 5) so angeordnet sind, daß sie mit baugleichen Dachziegeln zu einem beliebig großen Kollektor gesteckt werden können.

12. Solar-Flachkollektor nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulauf(S) diagonal zum Ablauf (7) in der Dachziegel angeordnet ist und so beliebige Kollektorgeometrien realisiert werden.

13. Solar-Flachkollektor nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der als Dachziegel ausgebildete Kollektor aus Kunststoff oder Glas besteht und dem durchströmten Kollektorteil (17) ein Hohlraum (18) vorgelagert ist.

14. Solar-Flachkollektor nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die diagonal für den Zu- und Ablauf angeordneten Anschlüsse (5 und 7) der Ziegel (Fig. 5) so ausgeführt sind, daß der Zulauf als Muffe und der Ablauf als Rohrstutzen ausgebildet sind.

15. Solar-Flachkollektor nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Ziegel an den Eckpunkten Einlaß- und Auslaßöffnungen hat, die mit Rohrverbindern (21) einschließlich Gummidichtungen (22) beim Verlegen verbunden sind.