DE19753380A1 - Layered storage solar collector - Google Patents

Layered storage solar collector

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Abstract

The solar collector (1,2) has several transparent, hollow, plastics fillet panels are stacked in sandwich manner and their both open, side ends are closed by two head panels such that the collector is rendered pressure- and medium-tight. The rear and side walls are well insulated. A transparent and heat insulating glass or plastics pane is used for surface cover. The medium flows through the fillet panel in a meandering path and is exposed to the solar radiation. The main solar radiation conversion into heat takes place inside the collector.

Description

Stand der TechnikState of the art

Speichersolarkollektoren bestehen aus einem Speicher-Kollektorelement (in der Regel ein Rohrkörper), der direkt der Solarstrahlung ausgesetzt wird. Die zur Sonne gewandte Seite wird mittels eines licht- und wärmedurchlässigen Trennelements (Glasscheibe, Folie etc.) vor Wärmeverlusten geschützt, die Seiten- und Rückwände sind isoliert.Storage solar collectors consist of a storage collector element (usually one Tubular body), which is directly exposed to solar radiation. The side facing the sun is made using a light and heat-permeable separating element (glass pane, film, etc.) Heat loss protected, the side and back walls are insulated.

Die Solarstrahlung durchdringt das Trennelement mit geringen Verlusten und trifft direkt auf den Speicherkörper, in dem sich ein Wärmeträgermedium (in der Regel Wasser oder ähnliches) befindet. Der Speicherkörper und anschließend das Medium erwärmen sich; die Wärme kann bei Bedarf aus dem Speicher abgerufen werden.The solar radiation penetrates the separating element with little loss and hits directly the storage body, in which there is a heat transfer medium (usually water or similar) located. The storage body and then the medium heat up; the heat can can be retrieved from memory if necessary.

Speichersolarkollektoren verbinden die zwei Komponenten Solarkollektor und Wärmespeicher in einem Bauelement. Nachteil aller bisher bekannten Speichersolarkollektoren sind die geringe der zur Sonne zugewiesenen Oberfläche im Bezug zum Speichervolumen. Dies ist durch die Verwendung von Rohrkörpern als Speicher- Solarkollektorelement bedingt, die zwecks Wirtschaftlichkeit möglichst mit großen Durchmessern (großes Speichervolumen bezüglich des Rohrdurchmessers und der Baukosten) eingebaut werden. Ein großer Rohrdurchmesser bedingt jedoch eine große Bautiefe und ein hohes Gewicht pro Quadratmeter Solarfläche (mit wachsendem Rohrdurchmesser und somit Solarfläche steigt das Bauvolumen und damit das Gewicht zum Quadrat). Dies führt darüber hinaus zu Schwierigkeiten aufgrund des hohen Gewichts pro Quadratmeter Solarfläche bei der Installation (in der Regel in Hausdächern) und zu aufwendigen Rahmenkonstruktionen. Den Bau von kastenförmigen und somit großflächigeren Speichersolarkollektoren sind somit aus fertigungstechnischen und wirtschaftlichen Gründen Grenzen gesetzt.Storage solar collectors combine the two components solar collector and Heat storage in a component. Disadvantage of all previously known Storage solar collectors are the smallest in relation to the surface facing the sun to the storage volume. This is due to the use of tubular bodies as storage Solar collector element conditionally, with the largest possible for the sake of economy Diameters (large storage volume in terms of pipe diameter and construction costs) to be built in. A large pipe diameter, however, requires a large construction depth and a high weight per square meter of solar surface (with increasing pipe diameter and thus Solar area increases the construction volume and thus the weight to the square). This leads to it difficulties due to the high weight per square meter of solar area installation (usually in roofs) and complex frame constructions. The Construction of box-shaped and thus large-area storage solar collectors are therefore out manufacturing and economic reasons set limits.

Weiterhin ist die Wärmeverteilung in einem solchen Speichersolarkollektor äußerst ungünstig. Zuerst wird die sonnenseitige Rohrwandschicht im Bezug zum Gesamtkörper übermäßig erwärmt, so daß die Abstrahlverluste aus dieser heißen Zone nach außen unverhältnismäßig hoch sind.Furthermore, the heat distribution in such a solar collector is extreme unfavorable. First, the tube wall layer facing the sun is in relation to the overall body heated excessively, so that the radiation losses from this hot zone to the outside are disproportionately high.

Darüber hinaus entsteht eine niedere Mischwassertemperatur, die naturgemäß gering gegenüber der heißen Randschichttemperatur ist.In addition, there is a low mixed water temperature, which is naturally low compared to the hot surface temperature.

Eine Kopplung von Photovoltaikkollektoren und Speichersolarkollektoren ist momentan noch nicht bekannt. Zur Zeit werden beide Systeme getrennt benutzt. Nachteil beim Parallelbetrieb ist der hohe Flächenbedarf. Des weiteren sind Photovoltaikanlagen im Sommer aufgrund ihrer Temperaturabhängigkeit nur eingeschränkt leistungsfähig, da mit steigender Temperatur der Wirkungsgrad stark abfällt. A coupling of photovoltaic collectors and storage solar collectors is currently still not known. Both systems are currently used separately. Disadvantage with parallel operation is the high space requirement. Furthermore, photovoltaic systems are in summer due to their Temperature dependency is only of limited efficiency since the temperature increases with the Efficiency drops sharply.  

Aufgabe der ErfindungObject of the invention Schichtspeichersolarkollektor zur WärmegewinnungLayered solar collector for heat generation

Aufgabe der Erfindung soll der Bau eines wirtschaftlich und funktional günstigen Schichtspeichersolarkollektors sein, der sowohl Solarwärme speichern als auch sammeln kann und dennoch eine geringe Bautiefe (und damit Gewicht) bezüglich seiner Oberfläche hat.The object of the invention is to build an economically and functionally favorable Layered solar collector, which both store and collect solar heat can and still a small depth (and thus weight) in terms of its surface Has.

Anstelle einer kühlen Mischtemperatur soll eine heiße Kerntemperatur zur Verfügung stehen.Instead of a cool mixing temperature, a hot core temperature should be available.

Die anfänglichen Wärmeverluste an die Umgebung sollen bauartbedingt möglichst gering sein.The initial heat losses to the environment should be as low as possible due to the design be.

Die von der heißen Kernzone aufsteigende Wärme soll das dem Kern zustrebende Wasser vorwärmen.The heat rising from the hot core zone is said to be the water striving towards the core preheat.

Schichtspeichersolarkollektor zum Kombibetrieb Strom- und WärmegewinnungLayered solar collector for combined operation of electricity and heat generation

Bei der Kombination Strom- und Wärmeerzeugung soll die Photovoltaikzelle gekühlt werden und die Abwärme zum Zweck der Brauchwassererwärmung genutzt werden. The combination of electricity and heat generation is intended to cool the photovoltaic cell and the waste heat is used for the purpose of domestic water heating.  

Lösung der AufgabeSolution of the task Schichtspeichersolarkollektor zur WärmegewinnungLayered solar collector for heat generation

Der Speichersolarkollektor besteht aus mehreren sandwichartig aneinandergelegten transparenter Hohlkammerstegplatten, die stirnseitig mittels Kopfplatten verschlossen sind; die vorhandenen Spalte werden mit einer speziellen Dichtmasse druck- und wärmebeständig abgedichtet. Das Medium wird durch eine Öffnung in der Kopfplatte der sonnennahen Hohlkammerstegplatte über die gesamte Stirnseite zugeführt (siehe auch Patentantrag Nr. 197 24 399.1-15). Durch Überströmnuten in der Kopfplatte und/oder Aussparungen an den stirnseitigen Enden der Hohlkammerstegplatte fließt das sich langsam erwärmende Medium nun mäanderartig (schichtweise) in Richtung Speicherkollektorkern, wo an einer schwarzen Fläche die verbliebene und aufgrund der transparenten Hohlkammerstegplatten und des lichtdurchlässigen Wärmeträgermediums (in der Regel Wasser) zum Kollektorkern vordringende Sonnenstrahlung in Wärme umgewandelt wird. Das Medium umfließt diese Fläche. Letztendlich verläßt das nunmehr heiße Wasser den Schichtspeicherkollektor wiederum durch eine Öffnung in der Kopfplatte.The storage solar collector consists of several sandwiches transparent twin-wall sheets, which are closed at the front by means of head plates; the existing gaps are resistant to pressure and heat with a special sealing compound sealed. The medium is close to the sun through an opening in the top plate Hollow chamber web plate fed over the entire front side (see also patent application no. 197 24 399.1-15). Through overflow grooves in the head plate and / or recesses on the The slowly warming medium flows at the front ends of the twin-wall sheet now meandering (in layers) towards the storage collector core, where on a black one Surface the remaining and due to the transparent twin wall sheets and the translucent heat transfer medium (usually water) to the collector core penetrating solar radiation is converted into heat. The medium flows around them Area. Ultimately, the hot water now leaves the stratified storage collector again through an opening in the head plate.

Schichtspeichersolarkollektor zum Kombibetrieb Strom- und WärmegewinnungLayered solar collector for combined operation of electricity and heat generation

Im Kombibetrieb ist die Kollektorfläche photovoltaisch aktiv und erzeugt neben dem Strom auch Wärme. Da normalerweise nur ca. 15-30% der auf eine Kollektorfläche einfallende Energie in Strom umgewandelt wird (bedingt durch den Wirkungsgrad der zur Zeit verfügbaren Photovoltaikzellen), ergänzt nun die zusätzlich gewonnene Wärme den Wirkungsgrad. In combined operation, the collector surface is photovoltaically active and generates electricity as well also warmth. Since usually only about 15-30% of the incident on a collector surface Energy is converted into electricity (depending on the efficiency of the currently available Photovoltaic cells), the additional heat gained now complements the efficiency.  

Vorteil der ErfindungAdvantage of the invention Schichtspeichersolarkollektor zur WärmegewinnungLayered solar collector for heat generation

Vorteil der Erfindung ist die bauartbedingte Isolation des heißen Kerns mit dem schichtweise über dem heißen Kern gelegenen und unterschiedlich warmen Wasserschichten und Hohlkammerstegplatten. Weiterhin ist das Kernwasser heiß; der Speicherkollektor erwärmt sich von innen nach außen. Bauartbedingt läßt sich eine große, der Sonne zugeneigte Kollektorfläche gegenüber dem Speichervolumen realisieren. Die Bauhöhe und damit das Gewicht pro Kollektorfläche ist gering gegenüber röhrenförmigen Speichersolarkollektoren. Auf- und Indachinstallationsarbeiten sind gering gegenüber herkömmlichen Speicherkollektoren.The advantage of the invention is the design-related insulation of the hot core with the layer over the hot core and differently warm water layers and Double wall sheets. The core water is still hot; the storage collector warms up yourself inside out. Due to the design, a large, inclined to the sun can be Realize the collector area in relation to the storage volume. The overall height and thus that Weight per collector area is low compared to tubular storage solar collectors. On-roof and in-roof installation work is minimal compared to conventional ones Storage collectors.

Schichtspeichersolarkollektor zum Kombibetrieb Strom- und WärmegewinnungLayered solar collector for combined operation of electricity and heat generation

Vorteil der Erfindung ist ein geringer Platzbedarf bei der Erzeugung von Wärme und Strom. Durch die Oberflächenkühlung der Photovoltaikoberfläche wird an heißen Tagen ein höherer elektrischer Wirkungsgrad erreicht. Zusätzlich entsteht warmes Brauchwasser.The advantage of the invention is a small footprint in the generation of heat and electricity. The surface cooling of the photovoltaic surface makes a higher one on hot days electrical efficiency achieved. In addition, hot domestic water is created.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Es werden mindestens zwei oder mehrere Hohlkammerstegplatten gleicher Länge und Breite sandwichartig aufeinandergelegt und an den beiden, noch offenen Stirnseiten ringsrum mit einem Dicht-/Klebmaterial verbunden. Zwischen der letzten und vorletzten Platte (relativ von der Sonnenseite gelegen) wird eine schwarze, temperaturbeständige Schicht oder bei Stromgewinnung Photovoltaikelemente zwischengelegt. Stirnseitig werden anschließend Kopfplatten/Adapter (siehe auch Patentantrag Nr. 197 24 399.1-15) so angebracht, daß die Hohlkammern der Hohlkammerstegplatten von der äußeren Umgebung mediumdicht abgeschlossen sind. Die Kopfplatten haben Mediumzufluß- bzw. -abflußöffnungen, die an ein Rohrsystem angeschlossen werden können. Durch geschickt gewählte Überströmnuten in den Kopfplatten und/oder Aussparungen in den Hohlkammerstegeplatten fließt das Medium von der Einlaßöffnung mäanderartig durch die Hohlkammerstegplatten bis zur Auslaßöffnung.There will be at least two or more twin wall sheets of the same length and width sandwiched on top of each other and on the two, still open end faces all around a sealing / adhesive material connected. Between the last and penultimate plate (relative from on the sunny side) is a black, temperature-resistant layer or at Electricity generation interposed photovoltaic elements. Then face up Head plates / adapter (see also patent application no. 197 24 399.1-15) attached so that the Hollow chambers of the twin-wall sheets are medium-tight from the external environment Are completed. The head plates have medium inflow or outflow openings that connect to one Pipe system can be connected. By cleverly selected overflow grooves in the The medium flows away from top plates and / or recesses in the hollow wall web plates the inlet opening meandering through the hollow wall sheets to the outlet opening.

Beim Bestrahlen mit Sonnenlicht wird ein Teil der Strahlungsenergie an den Wandungen der transparenten Hohlkammerstegplatten in Wärmeenergie umgewandelt. Während des Durchflusses nimmt das Medium die an der Oberfläche auftretende Wärmeenergie auf, und erwärmt sich. Der überwiegende Teil der Strahlungsenergie wird an der schwarzen Fläche im Kollektorinneren abgegeben.When irradiated with sunlight, part of the radiation energy is on the walls of the transparent double wall sheets converted into thermal energy. During the In the flow, the medium absorbs the thermal energy occurring on the surface, and warms up. The majority of the radiation energy is on the black surface in the Collector interior given.

Um als Speicher optimal arbeiten zu können, wird sowohl die Rückseite als auch die Seitenwände mit einer sehr guten Isolierung versehen.In order to work optimally as a memory, both the back and the Sidewalls with very good insulation.

Die statischen Belastungen werden von einer stabilen Rahmenkonstruktion aufgenommen. The static loads are absorbed by a stable frame construction.  

Anhang: ZeichnungsbeschreibungAppendix: Description of the drawing Zeichnung Schichtsolarkollektor:Drawing solar collector:

In der Zeichnung ist schematisch ein Schichtspeichersolarkollektor in den Ansichtsformen Seiten- und Vorderansicht dargestellt. Beide Ansichten sind nur skizziert (nicht maßstabsgetreu) und jeweils durch Abbruchkanten (Zickzacklinie) unterbrochen dargestellt. Der Rahmen ist als gestrichelte Linie dargestellt.In the drawing, a stratified storage solar collector is schematically in the view forms Side and front view shown. Both views are only outlined (not true to scale) and each interrupted by broken edges (zigzag line). The frame is shown as a dashed line.

Seitenansicht: In der Seitenansicht (Schnittdarstellung, links) sieht man oben und unten die beiden Kopfplatten (1). Sie schließen die zwischen ihnen befindlichen Hohlkammerstegplatten (2) stirnseitig mediumdicht ab. In der Darstellung sind die Kopfplatten mit einer Aufnahmenut für die Hohlkammern dargestellt. Weiterhin ist die Einlaßöffnung/Auslaßöffnung erkennbar, durch die das Medium zu- bzw. abgeführt werden.Side view: In the side view (sectional view, left) you can see the top and bottom of the two head plates ( 1 ). They close the hollow chamber web plates ( 2 ) between them in a medium-tight manner on the front. The illustration shows the head plates with a receiving groove for the hollow chambers. Furthermore, the inlet opening / outlet opening can be seen through which the medium is supplied or discharged.

Zwischen den Kopfplatten sind drei Hohlkammerstegplatten, die sandwichartig aneinandergelegt sind, dargestellt. Zwischen der mittleren und der rechten Hohlkammerstegplatte befindet sich eine schwarze Fläche oder ein Photovoltaikelement.Between the top plates are three twin-wall sheets, which are sandwich-like are laid together. Between the middle and the right Hollow wall sheet is a black surface or a photovoltaic element.

Die Fließrichtung des Mediums ist als schwarzer Pfeil/dicke Linie gekennzeichnet und strömt durch die Einlaßöffnung der Kopfplatte mäanderartig durch die Hohlkammern der Hohlkammerstegplatten, vorbei an der schwarzen Fläche/photovoltaikelement hin zur Auslaßöffnung. An der linken Seite (Sonnenseite) ist eine Abdeckscheibe einskizziert.The flow direction of the medium is marked as a black arrow / thick line and flows through the inlet opening of the head plate meandering through the hollow chambers of the Double wall sheets, past the black surface / photovoltaic element to Outlet opening. A cover plate is sketched on the left side (sunny side).

Vorderansicht: Man sieht Oberfläche der oberen Hohlkammerstegplatte mit den begrenzenden beiden Kopfplatten.Front view: You can see the surface of the upper twin wall sheet with the delimiting two head plates.

Claims (5)

1. Schichtspeichersolarkollektor, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere transparente Hohlkammerstegplatten sandwichartig aneinandergelegt werden und so an den beiden offenen stirnseitigen Enden mit zwei Kopfplatten verschlossen werden, daß der Schichtspeichersolarkollektor druck- und mediumdicht wird. Die Rückseite und die Seitenwände sind sehr gut isoliert; ggf. wird eine sehr gut lichtdurchlässige und wärmeisolierende Glasscheibe oder Kunststoffplatte zur Oberflächenabdeckung eingesetzt. Der Schichtspeichersolarkollektor wirkt aufgrund seiner großen Mediumkapazität und der guten Isolierung als Wärmespeicher.1. stratified storage solar collector, characterized in that several transparent twin-wall sheets are sandwiched together and are closed at the two open ends with two head plates so that the stratified storage solar collector is pressure and medium tight. The back and side walls are very well insulated; if necessary, a very well translucent and heat-insulating glass pane or plastic plate is used to cover the surface. The stratified storage solar collector acts as a heat store due to its large medium capacity and good insulation. 2. Der Schichtspeichersolarkollektor, dadurch gekennzeichnet, daß ein Medium die lichtdurchlässigen Kunststoffhohlkammerstegplatten mäanderartig (siehe auch Zeichnung: Schichtspeichersolarkollektor) durchströmt und der Sonnenstrahlung ausgesetzt wird. Dabei wird das Medium in den Hohlkammerstegplatten zuerst langsam erwärmt, während es dem Kern zufließt. Die hauptsächliche Umwandlung der Solarstrahlung in Wärme geschieht im Kollektorinneren.2. The stratified storage solar collector, characterized in that a medium the translucent plastic multi-wall sheets are meandering (see also Drawing: stratified storage solar collector) flows through and exposed to solar radiation becomes. The medium in the twin-wall sheets is first slowly heated, as it flows to the core. The main conversion of solar radiation into Heat happens inside the collector. 3. Der Schichtspeichersolarkollektor, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schichten durch die Hohlkammerstegplatten voneinander getrennt sind.3. The stratified storage solar collector, characterized in that the individual Layers are separated from each other by the twin wall sheets. 4. Der Schichtspeichersolarkollektor, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht zuerst die obersten, transparenten Hohlkammerschichten durchdringt. Anschließend trifft das Licht auf eine Fläche, die das Sonnenlicht in elektrischen Strom und/oder Wärme umwandelt.4. The stratified storage solar collector, characterized in that the light first penetrates the top, transparent hollow chamber layers. Then it hits Light on an area that converts sunlight into electrical current and / or heat converts. 5. Der Schichtspeichersolarkollektor, dadurch gekennzeichnet, daß die sich langsam erwärmenden und relativ kühleren Schichten den Kollektorkern bedecken und die tief im Kern liegenden Schichten isolieren.5. The stratified storage solar collector, characterized in that the slowly warming and relatively cooler layers cover the collector core and the Isolate layers deep in the core.
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