DE19654762C2 - Sonnenkollektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor, bei dem eine Wärmetauscher- Flüssigkeit die Einstrahlungsenergie der Sonne teilweise absorbiert. Zu diesem Zweck weist der Sonnenkollektor meist eine Vielzahl von Hohlsträngen auf, die parallel oder in Serie von der Wärmetauscherflüssigkeit durchströmt werden, welche in einem geschlossenen oder auch offenen Kreislauf geführt wird. An einer anderen Stelle des Kreislaufs wird die von der Wärmetauscherflüssigkeit im Sonnenkollektor aufgenommene Wärme in einem Flüssigkeitsspeicher, der möglichst gut isoliert ist, bis zum Verbrauch angesammelt.

Dabei ist es üblich, daß die Hohlstränge, welche im Sonnenkollektor von der Wärmetauscherflüssigkeit durchströmt werden, von einem möglichst gut die Sonnenwärme absorbierenden Material, zumindest an der Außenseite, bestehen, also etwa aus einem schwarzen oder schwarz gefärbten Rohrmaterial. Die einzelnen Hohlstränge können dabei zusätzlich in einem von einer Glasplatte etc. abgedeckten, geschlossenen Gehäuse angeordnet sein, dessen Oberfläche ebenfalls zum Zwecke guter Bestrahlungsumsetzung schwarz bzw. dunkel eingefärbt ist, so daß auch die von dem Gehäuse aufgenommene und an die Hohlstränge abgestrahlte Wärme von der Wärmetauscherflüssigkeit umgesetzt werden kann. Dabei wird der Konstruktions- und auch der Kostenaufwand für Sonnenkollektoren um so höher, je besser die prozentuale Umsetzung von Sonnenlicht in Wärmeenergie möglich ist, also je mehr Wärme pro Kollektorfläche bei konstanter Sonneneinstrahlung erzielbar ist.

Ein gattungsgemäßer Sonnenkollektor ist in der DE 33 25 829 A1 offenbart, der einen von einer Wärmetauscherflüssigkeit durchströmten Hohlstrang in Form einer Helix aufweist, wobei der durch den Hohlstrang strömende Querschnitt der Wärmetauscherflüssigkeit konstruktionsbedingt während des Durchlaufs durch den Hohlstrang unterschiedlich Seiten der Einstrahlrichtung der Sonne zuwendet, so daß abwechselnd die Ober- und die Unterseite des Hohlstranges bestrahlt wird. Die zylindrische Form der Helix bedingt jedoch einen sehr hohen Platzbedarf und ermöglicht keine gleichmäßige, beidseitige Erwärmung der Wärmetauscherflüssigkeit, da insbesondere bei schrägstehender Sonne der obere Teil der Windungen einen Schatten auf den unteren Teil der Windung wirft und dadurch die Effizienz des Kollektors verschlechtert.

Ein solcher helixförmiger, zylindrischer, von einer Wärmetauscherflüssigkeit durchströmter Hohlstrang wird auch in der FR 1.601.101 vorgeschlagen. Dieser Sonnenkollektor hat jedoch die gleichen vorstehend genannten Nachteile.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Sonnenkollektor zu schaffen, der trotz einfachem und kostengünstigem Aufbau eine hohe Effizienz aufweist.

Bei einer sehr kostengünstigen Bauform von Sonnenkollektoren sind in dem erwähnten Gehäuse eine. Vielzahl von schwarzen Kunststoffschläuchen parallel nebeneinander angeordnet und parallel durchströmt bzw. paarweise von oben nach unten als Vorlauf und von unten nach oben als Rücklauf durchströmt. Die Effizienz derartiger Kollektoren ist u. a. deshalb vergleichsweise gering, weil der Querschnitt der Flüssigkeit, welcher durch einen Hohlstrang entlangströmt, immer mit der gleichen Seite der Einstrahlungsrichtung der Sonne zugewandt ist, also im Verlauf des Durchströmens eines Hohlstranges immer nur die Oberseite des im Hohlstrang strömenden Querschnittes der Flüssigkeit von der Sonne erwärmt wird.

Wegen der im Hohlstrang vorherrschenden primär laminaren Strömung ist der Wärmeaustausch im Querschnitt der Flüssigkeit, also quer zur Strömungsrichtung, relativ gering. Daher beträgt die Durchschnittstemperatur der Flüssigkeit, wenn sie den Sonnenkollektor verläßt und dem Wärmespeicher zugeführt wird, nicht annähernd diejenige Temperatur, welche die Flüssigkeit in der der Einstrahlungsrichtung zugewandten Außenbereichen ihres Querschnittes besitzt. Dieser Nachteil ist in Zeiten sehr starker Sonneneinstrahlung, also in den Sommermonaten, hinnehmbar, führt jedoch dazu, daß gerade die relativ schwache Sonneneinstrahlung in den Übergangsjahreszeiten Frühling und Herbst kaum mehr mittels eines solchen Sonnenkollektors einfacher Bauart genutzt werden können. Dies sind in Mitteleuropa jedoch gerade diejenigen Jahreszeiten, in welchen das mittels Sonnenkollektoren aufgeheizte warme Brauchwasser verstärkt zum Duschen, Baden etc. benötigt wird. Eine Möglichkeit der gleichmäßigeren Aufheizung der Flüssigkeit über deren Querschnitt betrachtet besteht darin, die laminare Strömung durch Einbau von Hindernissen im Innenquerschnitt der Hohlstränge zumindest teilweise oder vollständig in eine laminare Strömung zu verwandeln. Dies erhöht jedoch den Kraftaufwand, um die Wärmetauscherflüssigkeit durch das System zirkulieren zu lassen, ganz erheblich, und erhöht damit den Energieverbrauch der für die Zirkulation meist eingesetzten, elektrischen Pumpe, wodurch die Energiebilanz des gesamten Sonnenkollektors stark verschlechtert wird.

Auch beim Einsatz von spiralförmig an der Innenseite der Wandung des Hohlstranges angeordneten, z. B. helixartigen, leitenden Vorsprüngen ähnlich von üblichen Leitblechen etc., um den Querschnitt der strömenden Flüssigkeit relativ zum Querschnitt des Rohrabschnittes zu drehen, bewirkt eine Erhöhung des Strömungswiderstandes und ein teilweises Ablösen der laminaren Strömung und Umwandeln in eine turbulente Strömung. Die beschriebenen Nachteile erhöhen sich weiterhin, wenn es sich nicht um einen runden, sondern zunehmend unrunden Querschnitt des Innenumfanges des Hohlstranges bei dem Hohlstrang handelt.

Vorzugsweise wird daher der Querschnitt der Flüssigkeit relativ zum Querschnitt des Hohlstranges nicht gedreht, sondern der Hohlstrang selbst gegenüber der Einstrahlungsrichtung gedreht.

Besonders einfach und dennoch effizient ist dies möglich, wenn der Hohlstrang im Verlauf seiner Längsrichtung gewendelt, also in Form eines Schraubengewindes oder einer Hedix, verläuft. Eine solche gewendelte Form kann - in Längsrichtung betrachtet - unrund ausgebildet sein, also z. B. durch vier Abknickungen um jeweils ca. 90° eine volle Umdrehung erreichen. Dabei können die Abschnitte, in welchen das Rohr nicht quer sondern in Einstrahlungsrichtung verläuft, möglichst kurzgehalten werden, da diese Abschnitte kaum Sonnenenergie aufnehmen. Zusammen mit der Tatsache, daß der Hohlstrang nicht als rundes Rohr, sondern als Rohr mit einem Flachprofil ausgeführt ist, kann eine derart quasi flachgedrückte Helix trotz geringen Höhenbedarfes für den Sonnenkollektor abwechselnd einmal auf seiner Oberseite und einmal auf seiner Unterseite von der Sonne bestrahlt werden, so daß - wegen des ohnehin flachen Querschnittes der strömenden Flüssigkeit - damit eine annähernd gleiche Temperatur über den gesamten Querschnitt der Flüssigkeit am Ausgang des Sonnenkollektors erzielbar ist. Derart gewendelte Stränge können parallel nebeneinander parallel durchströmt werden, oder auch paarweise parallel nebeneinander als Vorlauf und Rücklauf, so daß die Länge des Kollektors bei gleicher Aufheizung halbiert werden kann.

Ebenso können derartig gewendelte Hohlstränge ineinander gewendelt sein, wobei es auf die Dimensionierung ankommt, ob nur zwei oder mehrere Hohlstränge ineinander gewendelt werden. Vorzugsweise sollten dabei diejenigen Abschnitte eines Hohlstranges, die von den darüberlaufenden Abschnitten anderer Hohlstränge gekreuzt werden, nicht vollständig von den darüberliegenden kreuzenden anderen Hohlsträngen abgedeckt sein, um ausreichend frei bestrahlbare Längen der Unterseite des gewendelten Hohlstranges beizubehalten.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen Hohlstrang zickzackförmig oder S- förmig gebogen in einer Ebene, also nicht gewendelt, verlaufen zu lassen. Gerade bei Ausbildung der Hohlstränge aus einem Flachprofil können z. B. zwei derartiger S-förmig gebogener Hohlstränge fasenversetzt übereinander gelegt werden. Je nachdem, wie sanft die Biegungen und wie breit die Hohlstränge im Vergleich hierzu sind, um so größer ist die Fläche der sich ergebenden Kreuzungen. An diesen Kreuzungen sind die Hohlstränge wärmeleitend, flächig miteinander verbunden, so daß in diesen Bereichen die relativ stark aufgeheizte Oberseite des einen Hohlstranges die relativ kalte Unterseite des anderen Hohlstranges aufheizt.

Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Aufsicht auf die Hohlstränge eines Sonnenkollektors,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 1,

Fig. 3 eine Aufsicht auf den Sonnenkollektor gemäß Fig. 1 mit anderer Flußrichtung,

Fig. 4 eine Aufsicht auf eine andere Bauform des Sonnenkollektors,

Fig. 4a einen Querschnitt entlang Linie A-A der Fig. 4,

Fig. 5 eine Aufsicht auf eine andere Bauform des Sonnenkollektors,

Fig. 6 einen Querschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 5 und

Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine weitere Bauform des Sonnenkollektors.

In Fig. 1 sind zwei nebeneinander verlaufende Hohlstränge 2a, 2b eines Sonnenkollektors dargestellt. Jeder der Hohlstränge 2a, 2b ist in Form einer flach gedrückten Helix ausgebildet.

Dies bedeutet, daß in einem Abschnitt 12 die Oberseite 3 des flachen Profils des Hohlstranges von der Sonne beschienen wird, also etwa senkrecht zur Einstrahlrichtung 11 angeordnet ist.

Am Ende dieses Abschnittes 12 schließt sich - unter einer Kröpfung von etwa 90° - jeweils ein Abschnitt 8 an, in welchem der Hohlstrang senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 verläuft, wie besser an der Schnittdarstellung der Fig. 2 zu erkennen. Dieser Abschnitt 8 wird so kurz wie möglich gehalten, um die Dicke des Kollektors nicht zu stark ansteigen zu lassen. Am anderen Ende dieses verbindenden Abschnittes 8 schließt sich - wiederum unter einer Kröpfung von etwa 90° gegenüber dem Abschnitt 8 ein Abschnitt 9 an, in dem nun die Unterseite 4, die im Abschnitt 12 von der Sonne abgewandt war, der Sonne entgegengerichtet ist und bestrahlt wird.

Da der im Hohlstrang entlangströmende Querschnitt 5 der Wärmetauscherflüssigkeit 1 aufgrund laminarer Strömung die Umlenkung am Knick bzw. an der Biegung zwischen den Abschnitten 12, 8 und 9 im wesentlichen mitmacht, werden im Abschnitt 9 die durch den Abschnitt 12 bisher am wenigsten erwärmten Teile des Querschnittes 5 Flüssigkeit 1 stark erwärmt.

Je flacher zusätzlich der Querschnitt des Hohlstranges 2a, 2b ausgebildet ist, um so gleichmäßiger über den Querschnitt 5 der Flüssigkeit 1 gesehen, wird daher die Wärmeverteilung sein.

Die in der Aufsicht betrachtet, zickzackförmige Gestalt der Hohlstränge 2a, 2b bedeutet zwar für einen einzelnen Hohlstrang einen erhöhten Raumbedarf, bei Nebeneinanderanordnung einer Vielzahl solcher Hohlstränge in einem gesamten Sonnenkollektor ist der zusätzliche Raumbedarf jedoch äußerst minimal.

In Fig. 1 sind die Hohlstränge 2a, 2b . . . jeweils parallel geschaltet, werden also in der gleichen Richtung, etwa von oben her, vom Zulauf zum Ablauf des Sonnenkollektors hin durchströmt.

Fig. 3 zeigt dagegen eine Prinzipdarstellung, in der jeweils zwei nebeneinander befindliche Hohlstränge 2a, 2b, die im einzelnen entsprechend Fig. 1 ausgebildet sind, nebeneinander angeordnet sind und als Vorlauf bzw. Rücklauf der gleichen Schleife des Wärmetauschers dienen, so daß sich Zulauf und Ablauf dieser Schleife am oberen Ende der Fig. 3 befinden, während am unteren Ende eine Verbindung der beiden Hohlstränge 2a, 2b vorhanden sein muß.

Aufgrund der wendelförmigen Struktur der Hohlstränge 2a, 2b in Fig. 1 bzw. 3 ist es auch möglich, gemäß Fig. 5 mehrere solcher Hohlstränge ineinandergewendelt zu verlegen.

Dabei überdeckt der jeweils oben liegende Abschnitt 12 jeweils einen Teil des darunter verlaufenden Abschnittes 9 des anderen Hohlstranges 2b.

Um die Erwärmung der Rückseite 4 in einem solchen Abschnitt 9 dennoch sicherzustellen, sollte sichergestellt (gewährleistet) sein, daß nicht die gesamte Länge der Abschnitte 9 durch darüber verlaufende Abschnitte 12 der anderen ineinander gewendelten Hohlstränge 2b, 2c . . . abgedeckt wird. Eine Verbesserung des Effekts kann auch dadurch auftreten, daß in der in Fig. 5 dargestellten Bauform wiederum der eine Hohlstrang 2a, als Vorlauf und der andere Hohlstrang 26 derselben ineinandergewendelten Einheit als Rücklauf dient, so daß im Überdeckungsbereich der Abschnitte 4 und 12 durch wärmeleitenden Kontakt zwischen den Hohlsträngen 2a, 2b ein zusätzlicher Wärmeaustausch zwischen Vorlauf und Rücklauf und damit eine Temperaturegulierung über den Querschnitt 5 der Wärmetauscherflüssigkeit 1 erzielt werden kann.

Fig. 6 zeigt in der Querschnittsdarstellung, wie die Hohlstränge 2a, 2b ineinanderlaufen, und daß dadurch ein relativ geringer Raumhöhenbedarf des Sonnenkollektors gegeben ist, indem in Längsrichtung betrachtet jeder der Hohlstränge U-förmig bzw. kastenförmig gewendelt ist, und im Hohlraum des einen Kastens der eine Schenkel des Kastens bzw. U des anderen Hohlstranges Platz findet.

Fig. 4 zeigt eine demgegenüber einfachere Bauform in der Aufsicht. Dabei sind die beiden dargestellten Hohlstränge 2a, 2b zwar ebenfalls in der Aufsicht zickzackförmig oder S-förmig schlangenlinienartig gebogen, jedoch nur in einer Ebene, also nicht räumlich.

Die beiden mäanderförmigen Hohlstränge 2a, 2b, die ebenfalls wiederum vorzugsweise aus einem sehr flachen Profil bestehen, wie in Fig. 4a dargestellt, liegen lediglich fasenversetzt übereinander. Entsprechend der Wahl der Breite der Hohlstränge 2a, 2b und dem Kreuzungswinkel ergeben sich mehr oder weniger große im Kreuzungsbereich einander überdeckende Flächenbereiche der beiden Hohlstränge 2a, 2b. Durch flächige wärmeleitende Verbindung, z. B. flächiges Verkleben der Hohlstränge 2a, 2b in diesen Kreuzungsbereichen, findet auch hier ein Wärmeaustausch statt, dessen Intensität durch Variieren der Größe des Kreuzungsbereiches verändert werden kann.

Fig. 7 zeigt im Längsschnitt eine weitere Version des erfindungsgemäßen Wärmetauschers. Dabei sind in einem Hohlstrang 2, der vorzugsweise einen runden Innenquerschnitt besitzt, über die gesamte Länge oder auch nur abschnittweise vom Innenumfang nach innen, also in den Querschnitt der Flüssigkeit 1 ragende, Leitschaufeln 13 in einem insgesamt spiraligen, helixförmigen Verlauf angeordnet. Dadurch wird die Flüssigkeit 1 des Querschnitts 5 gezwungen, eine Drehung um die Längsachse gegenüber dem Hohlstrang 2 durchzuführen, so daß - selbst wenn der Hohlstrang 2 immer die gleiche Seite der Sonne zugewandt hat - die dieser erwärmten Seite des Hohlstranges anliegende Seite des Querschnitts der Flüssigkeit 1 ständig wechselt.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

- Wärmetauscher-Flüssigkeit

2

a, b - Hohlstränge

3

- Oberseite

4

- Unterseite

5

- Querschnitt

6

- Oberseite

7

- Unterseite

8

- Abschnitte in Richtung

11

9

- Abschnitte mit Unterseite

10

- Längsrichtung

12

- Abschnitt zur Oberseite

13

- Leitschaufel

14

- Seitenwandung

Claims (8)

1. Sonnenkollektor, der von einer Wärmetauscherflüssigkeit (1) durchströmte Hohlstränge (2a, 2b, 2c) aufweist, die eine in Längsrichtung gewendelte Form haben, so daß abwechselnd die Oberseite (3) und die Unterseite (4) des Hohlstranges (2a, 2b, 2c) der Einstrahlrichtung (11) zugewendet ist und der durch die Hohlstränge (2a, 2b, 2c) strömende Querschnitt (5) der Wärmetauscherflüssigkeit (1) während des Durchlaufens eines Hohlstranges (2a, 2b, 2c) der Einstrahlrichtung (11) der Sonne unterschiedliche Seiten zuwendet, dadurch gekennzeichnet, daß die gewendelte Form der Hohlstränge (2a, 2b, 2c) einer quer zu ihrer Längsrichtung (10) flachgedrückten Helix entspricht, wobei in Einstrahlrichtung (11) verlaufende Abschnitte (8) möglichst kurz sind.

2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlstränge (2a, 2b, 2c) jeweils um 90° um die Längsrichtung (10) herum abgewinkelt sind.

3. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hohlstrang (2a) für den Vorlauf der Flüssigkeit (1) und ein Hohlstrang (2b) für den Rücklauf der Flüssigkeit (1) parallel nebeneinander, insbesondere in der Höhe bezüglich der Einstrahlungsrichtung (11) versetzt, angeordnet sind.

4. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei gewendelte Hohlstränge (2a, 2b) ineinander geschraubt verlaufen.

5. Sonnenkollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Abschnittes (9) eines Hohlstranges (2a), bei dem die Unterseite (4) des Hohlstranges (2a) der Einstrahlungsrichtung (11) entgegenweist, so lang bemessen ist, daß sie nur teilweise von dem bzw. den darüber verlaufenden Abschnitten (12), bei welchem die Oberseite (3) der Hohlstränge (2b, 2c) der Einstrahlungsrichtung (11) entgegenweist, verdeckt.

6. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlstränge (2a, 2b, 2c) an ihren Innenwandungen helixartig verlaufende Leitschaufeln (13) aufweisen, um den Querschnitt (5) der durch einen Hohlstrang (2) strömenden Wärmetauscherflüssigkeit (1) bezüglich des Hohlstranges (2) zu drehen bzw. zu verwirbeln.

7. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlstränge (2a, 2b, 2c) einen flachen Querschnitt aufweisen, deren Ober- und Unterseite (3 bzw. 4) wesentlich größer ist, als deren Seitenwandungen (14).

8. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der Hohlstränge (2) künstliche Hindernisse, insbesondere Leitbleche und Staubleche, angeordnet sind, um die durchströmende Flüssigkeit (1) zu verwirbeln.