DE19847195A1

DE19847195A1 - Sonnenkollektor mit Temperaturbegrenzung

Info

Publication number: DE19847195A1
Application number: DE19847195A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Raetz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-10-13
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 2000-04-20
Also published as: AU1546700A; WO2000022356A1

Abstract

Die flächenbezogene Energieausbeute einer Solarzelle kann vervielfacht werden, wenn der thermische Energieanteil ebenfalls geerntet wird. Herkömmliche Sonnenkollektoren sind für diesen Zweck weniger geeignet, weil hohe Stillstandstemperaturen und die Schattenbildung des Rahmens den Wirkungsgrad und die Energieausbeute des sog. Hybrid-Sonnenkollektors verringern. DOLLAR A Der erfindungsgemäße Sonnenkollektor besitzt einen konvex gewölbten Absorberboden, über den eine Metallfolie gespannt ist, die schwarz-selektiv oder mit Solarzellen beschichtet sein kann. Über diese Metallfolie ist eine hochtransparente Kunststoffolie gespannt. Der Absorberboden und die beiden Folien stehen in einem innigen thermischen Kontakt zueinander, so daß bei starker Sonneneinstrahlung die Oberfläche des Sonnenkollektors nur eine solche Temperatur erreichen kann, die eine freie, schwarze Oberfläche annehmen würde, also etwa 80 DEG C bis 90 DEG C. Bei Wärmebedarf für das Warmwasser oder die Heizung, wird die Kunststoffolie vom Absorberboden abgehoben, indem Luft mittels eines Ventilators in den Zwischenraum zwischen der Kunststoffolie un dem Absorberboden geblasen wird, so daß eine wärmedämmende Luftschicht entsteht.

Description

Sonnenkollektoren mit schwarz-selektiv absorbierenden Schichten können Stillstandstempe raturen bis über 200°C erreichen. Dieser Fall tritt immer dann ein, wenn der Warmwasser speicher keine Wärme mehr aufnehmen kann. Zur bertragung der Wärme wird daher meist Äthylenglykol verwendet, dessen Siedetemperatur über 200°C liegt.

Das Patent DE 27 39 797.3-13 beschreibt einen Sonnenkollektor, bei dem die lichtumwan delnde Schicht auf eine Metallfolie aufgetragen ist. Die Metallfolie ist über den Absorber boden gespannt. Dieser ist konvex gewölbt, damit ein Anpreßdruck bzw. ein thermischer Kontakt zwischen der Metallfolie und dem von einer Flüssigkeit durchströmten Absorber boden entsteht.

Ein solcher Sonnenkollektor ist besonders geeignet, den bei Solarzellen anfallenden ther mischen Energieanteil ebenfalls zu nutzen. So gibt es beispielsweise labormäßig hergestellte Solarzellen mit einer Gesamtabsorption von 97%. Beträgt der elektrische Wirkungsgrad 21%, fallen 76% thermische Energie an. Werden nun die Solarzellen auf eine Metallfolie aufgetragen und diese über den gewölbten Absorberboden gespannt, entsteht wegen der Auswechselbarkeit der Folie ein besonders nachhaltiges Konzept eines Hybrid-Sonnenkol lektors, d. h. der Kollektor kann ohne großen Materialeinsatz immer gemäß dem neuesten Stand der Technik umgerüstet werden. Ein solcher sog. Hybrid-Sonnenkollektor vervielfacht den flächenbezogenen Nutzungsgrad, so daß auch mehrgeschossige Wohnhäuser auf höheren Breiten thermisch energieautark gemacht werden können.

Die übliche Bauweise von Kollektoren ist für einen Hybrid-Sonnenkollektor weniger geeignet, weil der elektrische Wirkungsgrad mit steigender Temperatur abnimmt und der Schatten des Rahmens bei schrägem Lichteinfall den Wirkungsgrad und die Energieausbeute beeinträchtigen.

Die Erfindungsaufgabe besteht darin, einen schattenfreien Sonnenkollektor zu konzipieren, dessen Stillstandstemperatur nicht die Temperatur übersteigt, die eine frei aufgestellte Solarzelle bei Sonneneinstrahlung annehmen würde.

Die Erfindungsaufgabe wird dadurch gelöst, daß über die schwarz-selektiv oder mit Solar zellen beschichtete Metallfolie eine hochtransparente Kunststoffolie in der Weise gespannt ist, daß ein thermischer Kontakt zur Metallfolie entsteht. Die Solarzellen können jetzt nur die Temperatur annehmen, die sie bei freier Installation auch annehmen würden. Da die Kunst stoffolie tangential auf den Absorberboden auflaufen muß, liegt der Spannmechanismus in dessen Ebene, d. h. er kann keine Schatten werfen.

Besteht ein Bedarf an Wärme, beispielsweise für das Warmwasser oder die Heizung, muß zwischen der absorbierenden Schicht und der Kunststoffolie eine wärmedämmende Luft schicht liegen bzw. geschaffen werden. Das geschieht, indem mittels einer elektisch ange triebenen Pumpe (Ventilator) Luft zwischen die Kunststoffolie und den Absorberboden geblasen wird, so daß sich die Kunststoffolie abhebt. Dabei entsteht ein etwa 30 mm hoher Rahmen, der jedoch keine schädlichen Schatten wirft, weil im Sommer für die Warmwas serversorgung ausreichend hohe Temperaturen nur bei höherem Sonnenstand erreicht werden und im Winter nur Azimutwinkel auftreten, die bei einem richtig ausgerichteten Sonnenkol lektor keine schädlichen Schatten werfen.

Die Erfindung ist in den Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Prinzipieller Aufbau des Sonnenkollektors in Seitenansicht.

Fig. 2 Seitenansicht der Folien-Spanneinrichtungen.

Fig. 3 Spanneinrichtung an der vertikalen Seite des Sonnenkollektors.

Fig. 4 Federzungen in Aufsicht.

Nach Fig. 1 besteht der Sonnenkollektor aus einem luftdichten, flachen Kasten 1, in den ein konvex gewölbter Absorberboden 2 eingesetzt ist. Der Absorberboden 2 besitzt zwei Wasser anschlüsse 3. Über den Absorberboden 2 ist eine Metallfolie 4 gespannt, die mit einer schwarz-selektiv absorbierenden Schicht oder mit Solarzellen beschichtet sein kann. Über den Absorberboden 2 ist außerdem eine transparente Kunststoffolie 5 gespannt, die mit der Metallfolie 4 einen berührenden Kontakt haben kann oder auch, wie die Fig. 1 zeigt, in einem bestimmten Abstand zu dieser gehalten werden kann, so daß eine wärmedämmende Luftschicht 6 entsteht. Der Kasten 1 ist mit der Außenluft über einen Ventilator 7 und ein Staubfilter 8 verbunden. Zwischen dem Absorberboden 2 und dem Kasten 1 liegt eine Dämmschicht 9.

Die Metallfolie 4 wird mittels Spannhebel 10 über den Absorberboden gespannt. Für die Kunststoffolie 5 wird ein Spannmechanismus 11 verwendet, der mehrere Funktionen gleichzeitig ausüben muß. Er muß zweidimensional spannen und vertikal beweglich sein, damit die Kunststoffolie 5 zwei Zustände einnehmen kann, nämlich den berührenden Kontakt zur Metallfolie 4 einerseits und einen nahezu konstanten Abstand zur Metallfolie 4 andererseits.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der oberen Seite des Sonnenkollektors. Die Metallfolie 4 besitzt an den Enden eine Schleife 12, durch die ein Rohr 13 gesteckt ist. Die Metallfolie 4 wird über ein Präzisionsrohr 14 gelegt und in einen im Spannhebel 10 ange brachten Haken 15 eingehängt. Eine Biegefeder 16 hält die Metallfolie 4 unter einer dauer haften mechanischen Spannung.

Der Spannmechanismus 11 für die Kunststoffolie 5 besteht aus einem den gesamten Sonnen kollektor umfassenden Metallband 17 aus rostfreiem Federstahl, das nach Fig. 4 so geschlitzt ist, daß Federzungen 18 entstehen und durch Umbiegen gestanzter Laschen 19 Halterungen für die Kunststoffolie 5. Diese ist in den Laschen 19 in gleicher Weise eingehängt, wie es bereits für die Metallfolie 4 gezeigt wurde.

Der Kasten 1 ist nach den Fig. 2 und 3 umlaufend so geformt, daß ein Doppelscharnier 20, an dem das Metallband 17 befestigt ist, einen nach unten und oben begrenzten Hub ausführen kann. Eine Doppelbiegefeder 21 hält das Doppelscharnier 20 im unteren Anschlag und übt gleichzeitig auf das Metallband 17 ein Drehmoment aus, so daß die Kunststoffolie 5 gespannt ist, auch wenn die thermische Ausdehnung der Kunststoffolie 5 zu Längenänder ungen führt.

Zwischen dem Kasten 1 und dem Metallband 17 ist eine weichelastische, umlaufende Membran 22 eingelegt, die beispielsweise aus Silikonkautschuk bestehen kann. Die Membran 22 ist mittels einer Metallspange 23 an dem Kasten 1 dichtend befestigt. Die Membran 22 wird über das Metallband 17 gelegt, das zu diesem Zweck oben eine gebogene Rundung 24 besitzt. Über der Membran 22 liegt dichtend die Kunststoffolie 5.

Es ist zweckmäßig, die Federzungen 18 so zu stanzen, daß zwischen ihnen Spalten von 0,1 mm bis 0,2 mm entstehen. Die Federzungen 18 sind zweckmäßigerweise in der Mitte um 180° verdreht, so daß jede Federzunge 18 in zwei zueinander senkrechten Ebenen eine federnde Kraft ausüben kann. Auf diese Weise wird bei der zweidimensionalen Spannung eine Faltenbildung vermieden.

Fig. 3 zeigt den Spannmechanismus 11 an den vertikalen Kanten des Sonnenkollektors.

Die Fig. 2 und 3 zeigen den Normalzustand des Sonnenkollektors. Dieser bleibt erhalten, wenn ausschließlich elektrische Energie gewonnen werden soll. Besteht ein gleichzeitiger Bedarf an Wärme, wird mittels eines zentralen Ventilators 7, an den alle Sonnenkollektoren angeschlossen sind, Luft in den Zwischenraum zwischen dem Absorberboden 2 mit der Metallfolie 4 einerseits und der Kunststoffolie 5 andererseits geblasen. Die Kunststoffolie 5 hebt sich ab und bildet die Luftschicht 6. Wird keine Wärme mehr gebraucht, schaltet sich der Ventilator 7 ab und die Doppelbiegefedern 21 bringen den Sonnenkollektor in den Normalzustand zurück.

Mit einer intelligenten Regelung ist es möglich, auch dann Wärme zu gewinnen, wenn die Kunststoffolie 5 den berührenden Kontakt zu Metallfolie 4 beibehält. In diesem Fall wird wegen des schlechteren Wirkungsgrades der Wärmegewinnung der elektrische Wirkungsgrad eines Hybrid-Sonnenkollektors erhöht, weil das vom Warmwasserspeicher kommende, kühlere Wasser den Sonnenkollektor länger auf einer niedrigeren Temperatur hält. Diese Betriebsart kann im Sommer bei hoher Einstrahlung nützlich sein.

In heißen Klimazonen kann es nützlich sein, den Sonnenkollektor nachts zur Kühlung von Wasser als Wärmetauscher zu verwenden, um dann am Tage dieses Wasser zur Kühlung der Solarzellen zu verwenden.

Da die Stillstandstemperatur des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors etwa 80°C nicht überschreitet, kann in winterkalten Klimazonen die Anlage mit Wasser und Frostschutz mittel, in frostfreien Regionen mit reinem Wasser betrieben werden. Wegen der besseren Übertragungseigenschaften des Wassers (Wärmeleitung, Wärmekapazität, Viskosität) gegenüber allen anderen Medien und aus Gründen des Umweltschutzes besitzt der erfindungsgemäße Sonnenkollektor weitere Vorzüge gegenüber herkömmlichen Systemen.

Die Verwendung einer Kunststoffolie zur Abdeckung anstelle von Glas führt zu einer leichteren Bauweise der Sonnenkollektoren und erleichtert das Auswechseln der Metallfolien, wenn die alten gegen solche mit besseren Wirkungsgraden ausgetauscht werden sollen.

Liste der Bezeichnungen Sonnenkollektor mit Temperaturbegrenzung

1

Kasten

2

Absorberboden

3

Wasseranschlüsse

4

Metallfolie

5

Kunststoffolie

6

Luftschicht

7

Ventilator

8

Staubfilter

9

Dämmschicht

10

Spannhebel

11

Spannmechanismus

12

Schleife

13

Metallrohr

14

Präzisionsrohr

15

Haken

16

Biegefeder

17

Metallband

18

Federzunge

19

Lasche

20

Doppelscharnier

21

Doppelbiegefeder

22

Membran

23

Metallspange

24

Rundung

Claims

1. Sonnenkollektor mit einem konvex gewölbten Absorberboden 2, über den eine austauschbare Metallfolie 4 gespannt ist, die schwarz-selektiv oder mit Solarzellen beschichtet sein kann und mit dem Absorberboden 2 einen ganzflächig berührenden Kontakt hat, dadurch gekennzeichnet, daß über die beschichtete Metallfolie 4 eine transparente Kunststoffolie 5 mit ganzflächig berührendem Kontakt gespannt ist.

2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffolie 5 mittels eines vertikal beweglichen, zweidimensional wirkenden Spann mechanismus 11 über die Metallfolie 4 bzw. den Absorberboden 2 gespannt ist.

3. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventilator 7 am luftdichten Kasten 1 des Sonnenkollektors montiert ist, mit dem Luft in den Zwischenraum zwischen der Metallfolie 4 und der Kunststoffolie 5 geblasen werden kann, sodaß eine Luftschicht 6 entsteht.