DE19752594A1

DE19752594A1 - Wärmeübertragungselement für Solarkollektoren

Info

Publication number: DE19752594A1
Application number: DE19752594A
Authority: DE
Inventors: Detlef Fischer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-11-27
Filing date: 1997-11-27
Publication date: 1999-06-10

Description

Die Erfindung betriff ein Wärmeübertragungselement für Solarkollektoren, bestehend aus einer Absorberplatte mit daran angeordnetem Absorberrohr, das zwischen den das Wärmeträgerfluid zu- und abführenden Rohrleitungen des Solarkollektors eingefügt wird und unterhalb der transparenten Kollektorabdeckung und oberhalb des wärmegedämmten Kollektorbodens eine ein Luftpolster abschließende Absorberebene bildet, wie es bei der Herstellung von Solarkollektoren benötigt wird.

Im Kollektorbau haben sich inzwischen Techniken durchgesetzt, die eine hohe Funktionalität und Langlebigkeit ebenso wie Voraussetzungen für eine kostengünstige Fertigung zum Ziel haben.

Ein wesentlicher sowohl den Wirkungsgrad als auch die Lebensdauer beeinträchtigender Mangel besteht in der unzureichenden Kompensation der zeitweilig extremen Temperaturdifferenzen im Bereich der Absorberplatten, die bekantermaßen oberhalb oder unterhalb der das Wärmeträgerfluid enthaltenden Absorberrohren angeordnet sind.

Während infolge unterschiedlicher solarer Einstrahlung die thermische Belastung der Absorberrohre infolge der Trägheit der sich ergebenden Temperaturveränderungen des darin enthaltenen Wärmeträgerfluids in Grenzen gehalten werden kann, sind die Absorberebenen diesen wechselnden thermischen Belastungen in direkter Weise ausgesetzt. Deshalb hat sich im Kollektorbau durchgesetzt, zwischen der Absorberebene und dem wärmegedämmten Kollektorboden ein Luftpolster vorzusehen, dessen Funktion nicht nur in der Unterstützung des Wärmeübergangs von der Absorberplatte auf das Absorberrohr mittels Wärmeleitung über die jeweilige Kontaktstelle und den Wärmeübergang mittels Konvektion sondern auch in der Verhinderung extremer Temperaturänderungen an den Absorberplatten besteht.

Voraussetzung dafür ist in erster Linie eine möglichst dichter Einschluß des Luftpolsters.

Bekannte technische Lösungen sehen dazu das Unterteilen der Absorberebene in mehrere Einzelelemente, den sogenannten Absorberplatten, vor. An den einzelnen Absorberplatten sind vorzugsweise darunter die das Wärmeträgerfluid enthaltenden Absorberrohre angeordnet. Die Enden der Absorberplatten sind dabei so geformt, daß sie bei ordnungsgemäßer Funktion mit den benachbarten Absorberplatten im Kontakt stehen und sich bei Längenveränderungen infolge größerer Temperaturschwankungen gleitend an der Kontaktstelle verschieben.

Derartig technischen Lösungen haben den Mangel, daß sie bereits nach verhältnismäßig kurzer Gebrauchszeit nicht mehr in der Lage sind, das unter der Absorberebene befindliche Luftpolster ausreichend sicher einzuschließen. Infolgedessen kommt es zu unerwünschten thermischen Belastungen der Absorberplatten und schließlich zu bleibenden Deformationen, in deren Folge der Wirkungsgrad des jeweiligen Kollektors markant beeinträchtigt wird.

Hinzu kommt das an den Kontaktstellen der Absorberplatten zu beobachtende Beschädigen der Beschichtung der Absorberplatten, was zu weiteren Wirkungsgradverlusten führen kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb im Schaffen einer technischen Lösung, die die Mängel des bekannten Standes der Technik nicht mehr aufweist. Die neu zu entwickelnde Lösung soll sich vor allen dadurch auszeichnen, daß sie einerseits zur dauerhaften Stabilisierung der Absorberplatten in den Randbereiche und andererseits zu verbesserten Voraussetzungen für den sicheren Abschluß des Luftpolsters zwischen der Absorberebene und dem wärmegedämmten Kollektorboden führt. Außerdem sollen die Absorberplatten nicht nur kostengünstig herstellbar sein sondern auch vor Beschädigungen ihrer Beschichtung sicher geschützt werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemaß im wesentlichen durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die zusammengefügten Wärmeübertragungselemente bilden danach eine Absorberebene, die ein Luftpolster oberhalb des wärmegedämmten Kollektorbodens einschließt. Die parallel zu den Absorberrohren verlaufenden Enden der einzelnen Absorberplatten sind entweder als Federn oder Nuten geformt. Das als Steckende oder als Feder geformte Ende der Absorberplatte ist paßfähig zum als Führungsende oder als Nut geformten Ende der Absorberplatte ausgebildet. Die einzelnen Wärmeübertragungselemente sind im Solarkollektor innerhalb des umschließenden Kollektorrahmens als geschlossener das Luftpolster zwischen den Wärmeübertragungselementen und der dicht abgrenzenden Absorberebene mit Blindfugen angeordnet, wobei sich die Breite dieser Blindfugen im Falle unterschiedlicher thermischer Belastung der Absorberplatten verändern kann.

Es ist auch möglich, eine Längskante der Absorberplatte dadurch als Führungsende oder Nut auszubilden, daß an der Unterseite der Absorberplatten ein über die gesamte Länge der Absorberplatte reichendes gekröpftes Führungselement befestigt ist. Die Befestigung ist sowohl mit Verbindungsmitteln als auch in geklebter oder geschweißter Form möglich.

In einer weiteren Ausfürungsform ist das Führungselement in Form mehrerer in gleichen, jedoch frei wählbaren, Abständen befestigten gekröpften Einzellaschen ausgebildet, die als Führungselemente an der Unterseite der Absorberplatte befestigt oder angeordnet sind.

Zur Verbesserung der Dichtigkeit der Absorberebene sind zwischen dem als Feder ausgebildeten Steckende der Absorberplatte und dem als Nut ausgebildeten Führungsende der benachbarten Absorberplatte oder des Anschlußendes am abschließenden Kollektorrahmen ein einzelnes oder mehrere Dichtelemente angeordnet.

Alternativ dazu oder zusätzlich ist es möglich, zwischen dem als Feder ausgebildeten Steckende der Absorberplatte und dem als Nut ausgebildeten Führungsende der benachbarten Absorberplatte oder des Anschlußendes am abschließenden Kollektorrahmen ein einzelnes oder mehrere Gleitelemente anzuordnen. Sowohl die Dichtelemente als auch die Gleitelemente können bei der Vorfertigung der Absorberplatten fest mit dem Steckende und oder mit dem Führungsende der Absorberplatten verbunden sein.

Die üblicherweise auf der belichteten Seite der Absorberplatten angebrachten die Absorptionswirkung fördernden Beschichtungen können auch im Bereich der als Feder oder als Nut ausgebildeten seitlichen Enden der Absorberplatten angeordnet sein. Im Falle der Verwendung von Gleit- und/oder Dichtelementen im Kontaktbereich zwischen den Absorberplatten wird damit auch im Dauergebrauch eine den Wirkungsgrad beeinträchtigende Verletzung der Beschichtung vermieden.

Die Vorteile der Erfindung bestehen zusammengefaßt in der nunmehr verfügbaren technischen Lösung für die rationelle Vorfertigung und einfache Montage einzelnen Absorberplatten zu Absorberebenen, mit denen in modernen Solarkollektoren ein Luftpolster zwischen den Absorberplatten und dem wärmegedämmten Kollektorboden wirksam eingeschlossen werden kann.

Die jederzeitige Verfügbarkeit dieses Luftpolsters fördert einerseits bei ernergetisch nutzbarer Belichtung des Solarkollektors den Wärmeübergang auf die mit den Absorberplatten verbundenen Absorberrohre mit dem darin befindlichen Wärmeträgerfluid und erhöht andererseits die Stabilität und Formbeständigkeit insbesondere der Enden der Absorberplatten. Durch das ungehinderte Verändern der Längenabmessungen der Absorberplatten quer zur Lage der Absorberrohre werden Deformationen der Absorberplatten sicher ausgeschlossen und gleichzeitig in allen Betriebszuständen die erwünschte Dichtigkeit der Absorberebene gegenüber dem darunter angeordneten Luftpolster aufrechterhalten. Zugleich werden dauerhaft höchste Wirkungsgrade des Solarkollektors auch dadurch gewährleistet, daß es nicht zu Beschädigungen der absorptionsfördernden Beschichtung der Absorberplatten kommen kann und daß die optimale Lage der Absorberplatten im gesamten Bereich der Absorberebene dauerhaft erhalten bleibt.

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

In der beigefügten Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die schematische Schnittdarstellung einer im Randbereich des Solarkollektors angeordneten Absorberplatte mit als Nut ausgebildeten Führungsende der Absorberplatte;

Fig. 2 die schematische Schnittdarstellung einer im Randbereich des Solarkollektors angeordneten Absorberplatte mit einem Führungsende der Absorberplatte, das durch ein gekröpftes Führungselement gebildet ist;

Fig. 3 die schematische Schnittdarstellung von in den Randbereichen des Solarkollektors angeordneten Absorberplatten mit Führung- und Steckenden, wobei sich in den Gleitverbindungen Gleit- und oder Dichtelemente befinden;

Fig. 4 die schematische Schnittdarstellung von in einem Solarkollektor angeordneten Absorberplatten, die im zusammengefügten Zustand eine geschlossene Absorberebene bilden.

Ausführungsbeispiel 1

Gemäß Fig. 1 und Fig. 4 besteht die Absorberebene 4 eines Solarkollektors 2 aus zusammengefügten Absorberplatten 1 mit einer Breite von jeweils 120 mm. An den Unterseiten der Absorberplatten 1 sind Absorberrohre 3 befestigt, die im Systemabstand von 110 mm zwischen den das Wärmeträgerfluid 6 zu- und abführenden Rohrleitungen eingebaut sind. Die Steckenden 10 der Absorberplatten 1 und des entsprechenden Rahmenabschlusses sind als Kröpfung ausgebildet, wobei die Länge des abgekröpften Teils 15 mm und die Auslenkung parallel zur Oberfläche der Absorberplatte 1 etwa 3 mm beträgt. Das Steckende 10 der Absorberplatte 1 ist als Falz ausgebildet, wobei die gefaltete Länge des Falzes an der Oberfläche der Absorberplatte 1 etwa 15 mm beträgt und die angekröpfte Nuttiefe etwa 10 mm beträgt. Im Montagezustand ergeben sich damit im Kontaktbereich an den Längsseiten der Absorberplatten 1 Blindfugen 12 mit einer Breite von etwa 5 mm. Die Führungselemente 14 zwischen den Längsseiten der jeweils letzten Absorberplatten 1 zum jeweiligen Kollektorrahmen 13 sind mit analog hergestellten Führungs- oder Steckenden 10, 11 aus dem gleichen Material wie die Absorberplatten 1 geformt. Sie sind mit dem Kollektorrahmen 13 fest verbunden. Im Bereich der zu- und abführenden Rohrleitungen werden die Absorberplatten 1 somit Abdeckungen verbunden, daß sich zwischen der Absorberebene 4 und dem mit einer Isolation 7 ausgestatteten wärmegedämmten Kollektorboden ein wirksames Luftpolster 8 ausbilden kann, das im Falle der Belichtung des Solarkollektors 2 den Wärmeübergang auf die Absorberrohre 3 mittels Konvektion wirksam unterstützt und im Falle von kurzfristigen Änderungen der Belichtungsintensität der Absorberplatten 1 unerwünschte Temperaturspannungen an den Absorberplatten 1 dämpft.

Die auf diese Weise wirksam verlangsamte Änderung der Geometrie der Absorberplatten 1 bei unterschiedlicher thermischer Belastung führt damit nicht zu einer Deformation der Absorberebene 4 sondern lediglich zu Veränderungen der Breite der Blindfugen 12 zwischen den Absorberplatten 1, ohne die dichte Verbindung zwischen den Absorberplatten 1 aufzulösen.

Ausführungsbeispiel 2

Gemäß Fig. 2 und Fig. 4 besteht ein Wärmeübertragungselement für Solarkollektoren 2 im Gegensatz zum Beispiel 1 am Führungsende 11 aus einem gekröpften Führungselement 14, das über die gesamte Länge der Absorberplatte 1 an der Unterseite der Absorberplatte 1 befestigt ist.

Ausführungsbeispiel 3

Gemäß der Fig. 3 und Fig. 4 besteht im Gegensatz zum Beispiel 1 das Führungsende 10 der Absorberplatten 1 aus einer gefalzten Nut, die zusätzlich zur Verbesserung der Qualität der Gleitverbindung 5 für die eingesetzte Feder der benachbarten Absorberplatte 1 und des entsprechenden Anschlußelementes am Kollektorrahmen 13 mit jeweils einem Gleitelement 16 ausgestattet ist. Im Gegensatz zu Beispiel 2 ist das als Führungsende 11 ausgebildete Anschlußelement am Kollektorrahmen 13 mit einzelnen im Abstand von 300 mm an der Unterseite des Anschlußelementes angeordneten gekröpften Führungselementen 14 ausgestattet. Die Unterseite des Anschlußelementes ist mit einem Dichtelement 15 ausgestattet, während die Auflagefläche der gekröpften Führungselemente 14 ebenfalls mit Gleitelementen 16 belegt sind. Die absorptionsverbessernde Beschichtung 9 auf der Oberseite der Absorberplatten 1 wird auf diese Weise wirksam und dauerhaft vor Beschädigungen infolge von Relativbewegungen zwischen den Absorberplatten 1 untereinander und zwischen den Absorberplatten 1 und dem Kollektorrahmen 13 geschützt.

Bezugszeichenliste

1

Absorberplatte

2

Solarkollektor

3

Absorberrohr

4

Absorberebene

5

Gleitverbindung

6

Wärmeträgerfluid

7

Isolation

8

Luftpolster

9

Beschichtung

10

Steckende

11

Führungsende

12

Blindfuge

13

Kollektorrahmen

14

Führungselement

15

Dichtelement

16

Gleitelement

Claims

1. Wärmeübertragungselement für Solarkollektoren, bestehend aus einer Absorberplatte mit daran angeordnetem Absorberrohr, das zwischen den das Wärmeträgerfluid zu- und abführenden Rohrleitungen des Solarkollektors eingefügt wird und unterhalb der transparenten Kollektorabdeckung und oberhalb des wärmegedämmten Kollektorbodens eine ein Luftpolster abschließende Absorberebene bildet, dadurch gekennzeichnet,
daß die parallel zu den Absorberrohren (3) verlaufenden Enden (10, 11) der Absorberplatten (1) als Federn oder Nuten geformt sind, daß das als Steckende (10) geformte Ende der Absorberplatte (1) paßfähig zum Führungsende (11) der Absorberplatte (1) ausgebildet ist und
daß die Wärmeübertragungselemente im Solarkollektor (2) innerhalb des umschließenden Kollektorrahmens (13) als geschlossene, das Luftpolster (8) zwischen den Wärmeübertragungselementen und der Isolation (7) dicht abgrenzende Absorberebene (4) mit Blindfugen (12) angeordnet sind.

2. Wärmeübertragungselement nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung einer Längskante der Absorberplatte (1) als Nut an der Unterseite der Absorberplatte (1) ein gekröpftes Führungselement (14) befestigt ist.

3. Wärmeübertragungselement nach dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Führungselement (14) mehrere in gleichen, jedoch wählbaren Abständen befestigte gekröpfte Einzellaschen an der Unterseite der Absorberplatte (1) angeordnet sind.

4. Wärmeübertragungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem als Feder ausgebildeten Steckende (10) der Absorberplatte (1) und dem als Nut ausgebildeten Führungsende (11) der Absorberplatte (1) ein Dichtelement (15) angeordnet ist.

5. Wärmeübertragungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem als Feder ausgebildeten Steckende (10) der Absorberplatte (1) und dem als Nut ausgebildeten Führungsende (11) der Absorberplatte (1) ein Gleitelement (16) angeordnet ist.

6. Wärmeübertragungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberplatten (1) auch im Bereich der als Feder-/Nutverbindung ausgebildeten seitlichen Enden (10, 11) mit an sich bekannten die Absorptionswirkung fordernden Beschichtungen (9) ausgestattet sind.