DE19633106C2 - Flat solar collector with absorber liquid - Google Patents

Flat solar collector with absorber liquid

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Description

Die Erfindung betrifft einen Solar-Flachkollektor, der von einer eingefärbten Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt wird, in der die Globalstrahlung absorbiert wird.The invention relates to a solar flat collector, colored by a Thermal fluid is flowed through, in which the global radiation is absorbed becomes.

Sonnekollektoren werden eingesetzt, um die Energie der Globalstrahlung der Sonne zu absorbieren und in nutzbare Wärmeenergie für die Warmwasserbe­ reitung umzuwandeln.Solar panels are used to collect the energy from the global radiation Absorb sun and usable thermal energy for hot water to convert horse riding.

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).Construction variants are known in which the conversion of the Global radiation in thermal energy in a metallic, flat absorber with a suitable coloring or oxidation of the surface of the absorption body takes place. This coloring or oxidation of the surface takes place for maximum absorption of sunlight and minimum emission of the heated Collector (selective coating).

Der Absorbtionskörper bzw. das Absorbtionsblech ist in regelmäßigen Abständen wärmeschlüssig mit einem Rohrsystem hinterlegt, das mit einer im Umlauf befindlichen Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt ist und die vom Absorbtionskörper übertragene Wärme in einem Speicher, z. B. einen Boiler, transportiert. Die Abgabe der Wärme aus der Trägerflüssigkeit an den Speicher erfolgt über bekannte Wärmetauscher.The absorption body or the absorption sheet is at regular intervals deposited with a pipe system that circulates with one located heat transfer fluid is filled and that of the absorbent body  transferred heat in a memory, e.g. B. transported a boiler. The The heat from the carrier liquid is transferred to the storage via known heat exchangers.

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.The disadvantages of these designs are that the heat is multiple must be transferred, d. H. from the coated surface of the absorber sheet into the sheet, inside the sheet to the pipe system, through the pipe wall into the heat transfer fluid.

Die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung ist von vielerlei Faktoren des verwendeten Materials abhängig. Es entstehen hohe Oberflächentemperaturen und diese sind die Ursache für die durch Emission hervorgerufenen Wärmever­ luste und den Wirkungsgrad des Kollektors.The rate of heat transfer is of many factors used material dependent. There are high surface temperatures and these are the cause of the heat generated by emission and the efficiency of the collector.

Ein weiterer Nachteil ist die ungleichmäßige Verteilung des Wärmeabtransportes auf der Kollektoroberfläche, da in den bekannten Rohrsystemen ungleich verteilte Strömungsverhältnisse herrschen.Another disadvantage is the uneven distribution of heat dissipation on the collector surface, because in the known pipe systems unevenly distributed Current conditions prevail.

In der DE 26 08 302 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auffangen von Sonnenenergie beschrieben, bei dem in einer Kammer ein Wärmeüber­ tragungsmedium enthalten ist, das an ein Umwälzsystem mit Wärmeaustauscher angeschlossen ist, wobei die Wärmeabsorbtionsflüssigkeit ein hohes Absorbtions­ vermögen 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.DE 26 08 302 A1 describes a method and a device for collecting solar energy, in which a heat transfer medium is contained in a chamber and is connected to a circulation system with a heat exchanger, the heat absorption liquid having a high absorption capacity for heat rays in one Wavelength range from 0.8 × 10 -3 to 400 × 10 -3 mm is used. The heat absorption liquid consists of dark colored water.

Als eine Variante wird auch vorgeschlagen, der Absorbtionsflüssigkeit ein Öl zu­ zusetzen, desen Oberfläche ein geringes Reflexionsvermögen aufweist. Jedes Wärmeabsorbtionselement besteht dabei aus biegsamen Kunststofffolien. Die hintere Begrenzungsschicht der Absorbtionskammer weist eine der Sonnen­ strahlung zugewandte Reflexionsschicht auf.As a variant, it is also proposed to add an oil to the absorption liquid add, whose surface has a low reflectivity. Each The heat absorption element consists of flexible plastic films. The rear boundary layer of the absorption chamber has one of the suns radiation-facing reflection layer.

Der Nachteil dieser Einrichtung besteht darin, daß an das Umwälzsystem ein Wärmetauscher nachgeordnet ist, wodurch Wärmeverluste unvermeidbar sind. The disadvantage of this device is that a to the circulation system Subordinate heat exchanger, whereby heat losses are unavoidable.  

Eine Vielzahl miteinander verbundener Schläuche sind in Kammern angeordnet, die somit einen hohen technologischen Aufwand darstellen.A large number of interconnected hoses are arranged in chambers, which therefore represent a high technological effort.

Aus der DE 27 12 411 A1 ist ebenfalls bekannt, das fluide Medium selbst als Absorber 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.From DE 27 12 411 A1 it is also known that the fluid medium itself Use absorber by coloring the liquid used. The Coloring is achieved by mixtures, batches, emulsions. Still is provided that appropriate for the course of defined chemical reactions Catalysts are added to the fluid medium.

Konkrete konstruktive Lösungsansätze sind nicht erkennbar. Weiterhin besteht der Nachteil darin, daß keine Maßnahmen gegen Überhitzung vorgesehen sind.No concrete constructive approaches are recognizable. Still exists the disadvantage is that no measures against overheating are provided.

In der DE 27 58 715 A1 wird ein Sonnenkollektor beschrieben, der aus einem durchsichtigem Kollektor und speziell gefärbter Flüssigkeit besteht.DE 27 58 715 A1 describes a solar collector which consists of a transparent collector and specially colored liquid.

Die Flüssigkeit wird mit anorganischen Salzen angefärbt, z. B. mit Chrom- und Kupfersalzen. Ziel der Einfärbung ist die Absorbtion des Sonnelichtes unter Beibehaltung der für die Fotosysthese wichtigen Wellenlängen, um den Einsatz des Kollektors, z. B. in Gewächshäusern zu gewährleisten.The liquid is stained with inorganic salts, e.g. B. with chrome and Copper salts. The aim of the coloring is to absorb the sun light below Maintaining the wavelengths important for photosysthesis to use of the collector, e.g. B. to ensure in greenhouses.

Der Nachteil besteht in einem nicht unerheblichen konstruktiven Aufwand und in einem nicht vordergründig optimalem Wirkungsgrad.The disadvantage is a not inconsiderable design effort and in an efficiency that is not ostensibly optimal.

In der DE 28 29 708 A1 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.In DE 28 29 708 A1, the subject of the invention is an absorber for a solar collector, which is of a heat energy transporting Liquid flows through and which is characterized in that the Liquid that transports heat energy is a liquid that absorbs solar energy Contains pigment dispersed and / or a dye dissolved.

Als Material, daß mindestens 50% der Globalstrahlung durchläßt, kann eingesetzt werden: Polymethylmetacrylat, Polycarbonat, Polystyrol, PVC, glasfaserver­ stärktes Polyesterharz, Quarzglas, Silikonkautschuk.Can be used as material that transmits at least 50% of the global radiation are: polymethyl methacrylate, polycarbonate, polystyrene, PVC, glass fiber ver strengthened polyester resin, quartz glass, silicone rubber.

Die Wärmeenergie transportierende Flüssigkeit kann aus Wasser, einem Gemisch aus Wasser und Äthylenglykol, Kohlenwasserstoff, Alkohol, Äther, Ester, Silikonöl und Gemischen dieser Flüssigkeiten bestehen.The liquid transporting heat energy can consist of water, a mixture  from water and ethylene glycol, hydrocarbon, alcohol, ether, ester, Silicone oil and mixtures of these liquids are made.

Nachteilig ist das Fehlen konkreter konstruktiver Lösungen und Vorkehrungen zur Vermeidung von Überhitzungen.The disadvantage is the lack of concrete constructive solutions and precautions Avoidance of overheating.

Alle bekannten und beschriebenen Einrichtungen zum Stand der Technik weisen den Nachteil auf, daß keine Maßnahmen zur Vermeidung von Überhitzungen vorgesehen sind, die bei Stillstand des Kollektors bei voller Einstrahlungsleistung erreicht werden können und sich nachteilig auf die Langzeitparameter des Kollektors auswirken. Außerdem kann wegen des Auftretens hoher Stillstands­ temperaturen kein Einsatz einer kostengünstigen Transparenten Wärmedämmung (TWD) aus Kunststoff erfolgen.All known and described prior art devices the disadvantage that no measures to avoid overheating are provided when the collector is at a standstill with full irradiation power can be achieved and adversely affect the long-term parameters of Impact collector. In addition, due to the occurrence of high standstill temperatures no use of cost-effective transparent thermal insulation (TWD) made of plastic.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Solar-Flachkollektor zu schaffen, der bei hohem Wirkungsgrad einfach aufgebaut ist und nur geringer technologischer Vorleistungen bedarf und Überhitzungen des Kollektors vermeidet.The invention has for its object to a solar flat collector create that is simple in structure with high efficiency and only lower Technological advance consumption and overheating of the collector avoids.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, wobei für den Kollektor vorteilhafterweise auf bekannte Bauteile aus der Heizkörperfertigung zurückgegriffen wird.This object is achieved by the features of claim 1 solved, for the collector advantageously on known components from the Radiator manufacturing is used.

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 vorge­ sehen, die temperaturabhängig Ventile und Pumpe in diesem Kreislauf schaltet.Overheating, e.g. B. when the heat exchanger is at a standstill, are avoided by the absorber liquid when a maximum permissible temperature is reached drained to a depot in a regulated manner and when the temperature falls below a low temperature is pumped back into the collector. A control device is provided for this see, the temperature-dependent valve and pump switches in this circuit.

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 terms of construction, the collector consists of a known metal trough with parallel ones Bars and channels for the flow of the heat transfer fluid with a glass or plastic pane is covered tightly. Inlet and outlet The openings are arranged diagonally to each other in the metal tub. For isolation the metal tub is surrounded by thermal insulation.  

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 a constructive embodiment is above the glass or plastic pane transparent thermal insulation (TWD) with a cover film is provided, which significantly increases the efficiency of the collector.

Der der Erfindung zugrundliegende Gedanke wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispieles, das in der Zeichnung näher dargestellt ist, erläutert.The idea underlying the invention is described in the following Description using an exemplary embodiment, which is closer to the drawing is illustrated, explained.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch den Solar-Flachkollektor; Figure 1 is a sectional view through the solar flat collector.

Fig. 2 eine Darstellung der Strömungsverhältnisse im Kollektor; Fig. 2 is an illustration of the flow conditions in the collector;

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung des Regelkreises bei Überhitzung im Stillstand des Kollektors; Fig. 3 is a schematic diagram of the control circuit in case of overheating during standstill of the collector;

Fig. 4 eine Schnittdarstellung des Kollektors gemäß Fig. 1 mit einer Transparenten Wärmedämmung (TWD); FIG. 4 shows a sectional illustration of the collector according to FIG. 1 with transparent thermal insulation (TWD);

Der Solar-Flachkollektor besteht aus einer flachen Metallwanne 1 mit parallel angeordneten Stegen 2 und damit gebildeten Kanälen 8.The flat solar collector consists of a flat metal trough 1 with parallel webs 2 and channels 8 formed therewith.

Die Metallwanne 1 ist mit einer aufgesetzten Glas- oder Kunststoffscheibe 3 abgedeckt und mittels einer 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.The metal trough 1 is covered with a glass or plastic pane 3 and is connected in a watertight manner by means of an adhesive connection. The webs 2 present in the metal trough 1 fulfill the task of flux guide bars in the collector and at the same time contribute to the mechanical stability.

Die Glas- oder Kunststoffscheibe 3 ist mit den Stegen 2 punkt- oder linienförmig durch Vernieten, Kleben oder Anschmelzen verbunden.The glass or plastic pane 3 is connected to the webs 2 in a point or line shape by riveting, gluing or melting.

Die Einlaßöffnung 5 und die Auslaßöffnung 7 des Kollektors sind in der Metall­ wanne 1 diagonal zueinander angeordnet und münden jeweils zwischen den Stegen 2. The inlet opening 5 and the outlet opening 7 of the collector are arranged diagonally to one another in the metal trough 1 and each open between the webs 2 .

Der Querschnitt aller Kanäle 8 für die Absorbtions- und Wärmeträgerflüssigkeit 6 ist etwa 13-fach größer als der Querschnitt der Einlaß- und Auslaßöffnung 5 und 7. Mit diesem Querschnittsverhältnis wird strömungstechnisch die notwendige Verweilzeit des Absorbers in der Globalstrahlung erreicht.The cross section of all channels 8 for the absorption and heat transfer fluid 6 is approximately 13 times larger than the cross section of the inlet and outlet openings 5 and 7 . With this cross-sectional ratio, the necessary dwell time of the absorber in the global radiation is achieved in terms of flow technology.

Die Glasscheibe 3 ist zur Verbesserung der Strahlungsdurchlässigkeit in Ein­ strahlungsrichtung mit einer Antireflexschicht versehen.The glass pane 3 is provided with an antireflection coating to improve the radiation permeability in a radiation direction.

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.To avoid heat loss, the collector 1 and 3 is inserted in a heat insulation 9 adapted to the shape of the metal trough 1 . On the side of the light incident on the collector, this is provided with a safety glass cover 10 .

Die Metallwanne 1 weist zusätzlich eine Reflexionsschicht 11 auf, um eine Reststrahlung nochmals in die Absorberflüssigkeit zu reflektieren.The metal trough 1 additionally has a reflection layer 11 in order to reflect residual radiation again into the absorber liquid.

Aus Fig. 2 lassen sich annähernd die Strömungsverhältnisse der Absorberflüssig­ keit 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.From Fig. 2 approximately the flow conditions of the absorber liquid speed can be seen in the collector. The cross sections of the channels 8 are selected so that there is a sufficiently long dwell time for the absorber and heat transfer fluid in the radiation between the inlet opening 5 and outlet opening 7 .

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 ein Ventil 14 und die Pumpe 15 schaltet. Dazu werden die Temperaturparameter des Kollektors und des Warmwasserspeichers ausgewertet.In order to avoid overheating when the machine is at a standstill, the absorber is pumped into a depot 12 that is not exposed to the radiation when it reaches a permissible maximum temperature ( FIG. 3), and is returned to the collector when required or when a low temperature is reached. To monitor this safety precaution, an electronic control device 13 is provided, which switches a valve 14 and the pump 15 . For this purpose, the temperature parameters of the collector and the hot water tank are evaluated.

In Fig. 4 ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kollektors zwischen der Glas- oder Kunststoffscheibe 3 und der Sicherheitsglasabdeckung 10 eine Transparente Wärmedämmung (TWD) 16 angeordnet, wodurch der Wirkungsgrad des Kollektors erhöht wird.In FIG. 4, in an advantageous embodiment of the collector, transparent thermal insulation (TWD) 16 is arranged between the glass or plastic pane 3 and the safety glass cover 10, as a result of which the efficiency of the collector is increased.

Claims (4)

1. Solar-Flachkollektor mit einer Absorberflüssigkeit zur Absorption der Global­ strahlung, bei dem die Absorberflüssigkeit gleichzeitig Wärmeträgerflüssigkeit ist, mit einer lichtdurchlässigen Abdeckschicht und mit einer Einlauf- und einer Auslauf­ öffnung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektorkörper aus einer Metall­ wanne (1) mit mehreren parallelen Flußleitkanälen (8) für die durchfließende Absorberflüssigkeit besteht, die Metallwanne (1) eine Halbschale eines Heizkörpers ist und der Querschnitt der Flußleitkanäle (8) in einem Verhältnis von 12 bis 13 zu 1 zum Querschnitt der Einlaßöffnung (5) des Kollektors steht, wobei die Abdeckschicht (10) von einer transparenten Wärmedämmung hinterlegt ist und im Kollektor ein Temperatursensor (20) einer Regeleinrichtung (13) angeordnet ist, die außerhalb eines voreinstellbaren Temperaturbereiches ein Ablaufventil (19) für den geregelten Ablauf der Absorberflüssigkeit in ein Depot (12) öffnet.1. Flat solar collector with an absorber liquid for absorbing global radiation, in which the absorber liquid is also heat transfer fluid, with a translucent cover layer and with an inlet and an outlet opening, characterized in that the collector body made of a metal tub ( 1 ) with there are several parallel flow guide channels ( 8 ) for the absorber liquid flowing through, the metal trough ( 1 ) is a half-shell of a radiator and the cross section of the flow guide channels ( 8 ) is in a ratio of 12 to 13 to 1 to the cross section of the inlet opening ( 5 ) of the collector, The cover layer ( 10 ) is backed by transparent thermal insulation and a temperature sensor ( 20 ) of a control device ( 13 ) is arranged in the collector and, outside a presettable temperature range, a drain valve ( 19 ) for the regulated drainage of the absorber liquid into a depot ( 12 ). opens. 2. Solar-Flachkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberflüssigkeit aus einer Dispersion aus Tonen, Graphit oder Schwermetall­ sulfiden besteht.2. Flat solar collector according to claim 1, characterized in that the Absorber liquid from a dispersion of clays, graphite or heavy metal sulfides. 3. Solar-Flachkollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallwanne (1) die Flußleitkanäle (8) bildende Stege (2) aufweist, und mit einer Klarsichtscheibe (3), wie Glas- oder Kunststoffscheibe, abgedeckt und mit dieser sowohl an ihren Rändern, als auch an den Stegen (2) dauerhaft und dicht verklebt ist.3. Solar flat collector according to claim 1 or 2, characterized in that the metal trough ( 1 ) has the Flußleitkanäle ( 8 ) forming webs ( 2 ), and covered with a transparent pane ( 3 ), such as glass or plastic, and with this is permanently and tightly glued both at its edges and at the webs ( 2 ). 4. Solar-Flachkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallwanne (1) eine der Klarsichtscheibe (3) zuge­ wandte Reflexionsschicht (11) aufweist.4. Flat solar collector according to one of the preceding claims, characterized in that the metal trough ( 1 ) has one of the transparent pane ( 3 ) facing reflection layer ( 11 ).
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