DE19857125A1

DE19857125A1 - Absorber für einen Sonnenkollektor, Sonnenkollektor und Verfahren zur Herstellung eines Absorbers und eines Sonnenkollektors

Info

Publication number: DE19857125A1
Application number: DE19857125A
Authority: DE
Inventors: Detlef Fischer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-12-11
Filing date: 1998-12-11
Publication date: 2000-06-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Absorber zur Umwandlung von Sonnenstrahlen in Wärmeenergie, einen Sonnenkollektor sowie ein Verfahren zur Herstellung von Sonnenkollektoren und Absorbern. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, die Absorber und den Rahmen der Sonnenkollektoren aus Metallen zu fertigen. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Absorber-Lamellen und den Rahmen aus Kohlenfaserstoff zu fertigen, der durch einen Harz unter Wärmeeinwirkung zu einer geschlossenen Flächenstruktur vernetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Absorber zur Umwandlung von Son nenstrahlen in Wärmeenergie, insbesondere zur Verwendung in einem Sonnenkollektor, mit mindestens einer Absorber-Lamelle, die eine im Betrieb der Sonne zugewandte, dunkel gefärbte Oberseite und eine im Betrieb der Sonne abgewandte Unterseite aufweist, an der Mittel vorgesehen sind, um die durch den Absorber erzeugte Wärme mit einem wärmetauschermedium abzulei ten. Daneben betrifft die Erfindung einen Sonnenkollektor mit mindestens einer Absorber-Lamelle, an der Mittel vorgesehen sind, um die durch den Absorber erzeugte Wärme durch ein Wär metauschermedium abzuleiten, und die eine dunkel eingefärbte Absorberoberfläche aufweist, und einem Rahmen zur Halterung der Absorber-Lamelle. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer vernetzten Flächenstruktur, insbesondere zur Herstellung eines Absorbers zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärmeenergie oder eines Rahmens für einen Sonnenkollektor.

Aus dem Stand der Technik sind Absorber bekannt, welche aus Kupferplatten von ungefähr 0,2 mm Dicke gefertigt sind und eine hochselektive Beschichtung aus Schwarzchrom oder TiNOX aufweisen. Diese Beschichtung wird durch die Sonnenstrahlung erwärmt und ist so ausgebildet, daß eine hohe Absorption der Infrarotstrahlung realisierbar ist. Die von der Lamelle er zeugte Wärme wird über ein Wärmetauschermedium abgeführt. Zu diesem Zweck sind die Absorber-Lamellen rückseitig, d. h. auf der der Sonne abgewandten Seite, mit Kupferrohren versehen, welche das Wärmetauschermedium an den Absorber-Lamellen vor beiströmen läßt. Diese Kupferrohre sind vorzugsweise mit den Absorbern verschweißt.

Diese aus dem Stand der Technik bekannten Absorber sind jedoch mit verschiedenen Nachteilen verbunden. Zum einen ist der Materialbedarf an hochreinem Kupfer, welches einen Reinheits grad von 99,8% aufweisen muß, oder an Aluminium für die Fer tigung recht hoch. Dieses hat zur Folge, daß die Herstellungs kosten von derartigen Absorbern bei ca. DM 345,- pro m² lie gen. Schwarzchrom, welches in einem galvanischen Verfahren hergestellt wird, benötigt kein so hochreines Kupfer; dafür entstehen bei der Herstellung dieses minderwertigen Chroms sehr hohe Umweltbelastungen. Bei einem alternativen Verfahren wird TiNOX auf eine hauchdünne Kupferfolie aufgedampft. Bei diesem Herstellungsverfahren tritt das Problem einer schlech ten Haftung zwischen dem TiNOX und dem Kupfer auf. Schließlich haftet allen aus dem Stand der Technik bekannten Absorber- Lamellen (Finnen) der entscheidende Nachteil an, daß die vor zugsweise nebeneinander in einem Sonnenkollektor angeordneten Finnen in Folge der Wärmeausdehnung beim Betrieb gegeneinander schaben, was zu optischen Beschädigungen der Oberflächen führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine aus dem Stand der Technik bekannte Absorber-Lamelle derart weiter zuentwickeln, daß die zuvor genannten Nachteile vermieden und die Herstellungskosten deutlich gesenkt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Absorber Kohlenfaserstoff aufweist, der durch einen Harz unter Wärmeeinwirkung zu einer geschlossenen Flächenstruktur ver netzt ist. Die so erzeugte Struktur zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit, geringes Gewicht und außerordentlich gute Witterungsbeständigkeit aus.

Für den erfindungsgemäßen Kohlenfaserverbundwerkstoff wird vorzugsweise ein mit Kohlenstoff benetztes Glasfasergewebe verwendet. Als besonders einfach hat es sich erwiesen, als Kohlenstoff Ruß einzusetzen, da dieser weit verfügbar ist und sehr gute Absorptionseigenschaften für Infrarotstrahlung auf weist. Darüber hinaus ist Ruß gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Metalloxiden mit dem Vorteil verbunden, daß dieser den Kohlenfaserstoff nicht photochemisch zersetzt.

Die von dem Absorber erzeugte Wärme wird an das Wärmetauscher medium abgegeben. Auf das aus dem Stand der Technik bekannte Anschweißen getrennter Rohre zur Leitung des Wärmetauscherme diums kann bei der erfindungsgemäßen Absorber-Lamelle verzich tet werden, wenn diese zweischichtig ausgebildet ist, so daß zwischen der Ober- und Unterschicht ein Hohlraum ausgebildet ist, durch den das Wärmetauschermedium strömen kann. Dabei sind verschiedene Führungen des Wärmetauschermediums innerhalb des Absorbers denkbar, um die Absorberleistung zu erhöhen. So kann z. B. ein zickzackförmiger Kanal innerhalb des Absorbers ausgebildet sein, um die Durchflußgeschwindigkeit zu reduzie ren.

Da der erfindungsgemäße Absorber auf einfache Weise beliebig formbar ist, kann dessen Oberseite beliebig ausgebildet wer den. So ist es beispielsweise möglich, diese als Wellenprofil auszugestalten, das im Vergleich zur glatten Oberfläche eine vergrößerte Oberfläche aufweist.

Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, nicht nur den Absorber, sondern auch den Rahmen des Sonnenkollektors aus Kohlenfaser stoff auszubilden, der durch einen Harz zu einer Flächenstruk tur unter Wärmeeinwirkung vernetzt ist. Wenn sowohl der Rahmen als auch die Absorber aus dem gleichen Material gefertigt sind, treten nicht die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme auf, die sich dadurch ergeben, daß der Absorber und der Rahmen aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeaus dehnungskoeffizienten bestehen.

Dieses ermöglicht es, den Absorber als Vollflächenabsorber auszubilden; d. h. man benötigt keine einzelnen Finnen bzw. Absorber-Lamellen, sondern nur eine Flächenstruktur. Diese einteilige Ausführung des Absorbers als Vollflächenabsorber läßt es sogar zu, diesen unmittelbar als Dachpfanne oder Dach stein zum Abdecken von Dächern auszubilden. Die aus dem Stand der Technik bekannten Sonnenkollektoren, die als ästhetisch unschöne, auf dem Dach angeordnete Kästen ausgebildet sind, können auf diese Weise umgangen werden. Die Sonnenkollektoren können bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung direkt in dem Dach integriert werden.

Falls der Einsatz eines Sicherheitsglases zum Abdecken der Absorber gewünscht ist, ist es ferner vorteilhaft, den Rahmen mit einer Halterung für die Aufnahme des Sicherheitsglases auszubilden, in welche das Sicherheitsglas lösbar einsetzbar ist.

Darüber hinaus bietet es sich zum Unterbinden unerwünschter Wärmeentwicklung unterhalb des Absorbers an, daß der erfin dungsgemäße Sonnenkollektor unterhalb der Unterseite des Ab sorbers eine Dämmschicht aufweist. Als besonders zweckmäßig hat sich dabei die Verwendung von Steinwolle als Dämmschicht erwiesen, die bis 2000°C hitzebeständig ist.

Um zwischen dem bzw. den Absorbern und der Dämmschicht einen Wärmespeicher auszubilden, ist es zweckmäßig, daß zwischen der Dämmschicht und dem Absorber ein mit Luft gefüllter Zwischen raum vorgesehen ist.

Der Absorber muß aber nicht als Vollflächenabsorber ausge bildet sein. Es ist auch möglich, wie beim Stand der Technik, mehrere Absorber nebeneinander innerhalb des Sonnenkollektors anzuordnen.

Falls der Vollflächenabsorber nicht wünschenswert ist und die aus Kohlenfaserstoff gefertigten Absorber in einem Rahmen angeordnet sind, hat es sich als besonders vorteilhaft erwie sen, daß die Hohlräume der nebeneinander angeordneten Absorber ineinander übergehen und zwischen den Absorbern Verbindungs mittel vorgesehen sind, um eine dichte Verbindung zwischen den Absorbern herzustellen und einen Verlust des Wärmetauscherme diums zu verhindern.

Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung für Sonnenkollekto ren und Absorber beschränkt und läßt sich vielmehr auch in anderen Bereichen einsetzen. Bei der Abstraktion des Erfin dungsgedankens stellt diese allgemein ein Verfahren zur Her stellung einer vernetzten Flächenstruktur bereit, welche sich dadurch auszeichnet, daß die Flächenstruktur durch Vernetzung von Kohlenfaserstoff mit einem Harz gebildet wird und mit Vakuumdruck unter Wärmeeinwirkung in eine entsprechende Form gepreßt wird.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft veranschau licht und im folgenden detailliert beschrieben. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Frontansicht im Schnitt eines erfindungsgemäß ausgebildeten Sonnenkollektors,

Fig. 2 eine Stirnansicht eines erfindungsgemäß ausgebilde ten Absorbers und

Fig. 3 eine Stirnansicht einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Absorbers.

Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, besteht der erfindungsgemäße Sonnenkollektor aus einem Rahmen 1 und in diesem Rahmen 1 angeordneten Absorbern 2.

Der Rahmen 1 ist kastenartig ausgebildet und weist eine Öff nung auf, durch welche das Sonnenlicht in den Rahmen 1 ein dringen kann. Auf der Innenseite des Rahmens 1 sind nach innen ragende Auflageflächen 3 vorgesehen, die einteilig an dem Rahmen 1 angeformt sind. Auf diesen Auflageflächen 3 liegen die Enden der Absorber 2 auf.

Oberhalb der Absorberoberseite ist der Rahmen mit einer Halte vorrichtung versehen, in welche ein Sicherheitsglas 5 zum Schutz der Absorber 2 einsetzbar ist. Es handelt sich dabei um ein eisenoxidartiges, weißes Gußglas mit einer thermisch/chemischen Voll- bzw. Teilvorspannung. Die Ober fläche ist klar, entspiegelt und unstrukturiert. Die Licht- bzw. Energietransmission liegt bei 91%. Das bedeutet, von 100% des/der eindringenden Lichtes/Sonnenenergie können nur 9% entweichen. Das Glas hat eine Druckfestigkeit von 800 N/mm² und eine Biegezugfestigkeit von 50 N/mm². Die Glasabdeckung kann Lasten bis zu 250 kg/m² tragen und hält jedem Wetter, auch extremen Schneehöhen und Hagelschlag stand.

Zur Verhinderung, daß die in dem Sonnenkollektor erzeugte Wärme an das darunterliegende Gebäude abgegeben wird, ist darüber hinaus unterhalb der Absorber 2 innerhalb des Sonnen kollektors eine aus Steinwolle bestehende Isolierung 6 an geordnet.

Eine vergrößerte Darstellung des erfindungsgemäßen Absorbers ist in Fig. 2 in der Frontansicht dargestellt. Dieser Absor ber 7 besteht nicht aus mehreren einzelnen Lamellen, sondern ist als flächiges Gesamtelement ausgebildet. Durch diesen Flächenabsorber 7 erstrecken sich mehrere Kanäle 8, durch welche beim Betrieb das Wärmetauschermedium strömt. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, auf das Anschweißen von Kupfer rohren an der Absorberunterseite zu verzichten.

Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Absorbers 9 ist Fig. 3 zu entnehmen. Bei dieser Ausführungsform ist der Absorber 9 auf der Absorberoberseite als Wellenprofil ausge bildet, was seine Oberfläche im Vergleich zu der Ausführungs form mit glatter Oberfläche vergrößert. Auch bei dieser Ausge staltung verlaufen Kanäle 10 durch den gesamten Absorber. Die Kanäle 10 sind vorzugsweise so angeordnet, daß sie beidseitig von dem Wellenprofil eingegrenzt werden.

Bezugszeichenliste

1

Rahmen

2

Absorber

3

Auflagefläche

5

Sicherheitsglas

6

Isolierung

7

Absorber

8

Kanal

9

Absorber

10

Kanal

Claims

1. Absorber zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärme energie, insbesondere zur Verwendung in einem Sonnen kollektor, mit mindestens einer Absorber-Lamelle, die eine im Betrieb der Sonne zugewandte, dunkel gefärbte Oberseite und eine im Betrieb von der Sonne abgewandte Unterseite aufweist, an der Mittel vorgesehen sind, um die durch den Absorber erzeugte Wärme durch ein Wärme tauschermedium abzuleiten, dadurch gekenn zeichnet, daß der Absorber Kohlenfaserstoff auf weist, der unter Wärmeeinwirkung durch einen Harz zu einer Flächenstruktur vernetzt ist.

2. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kohlenfaserstoff mit Kohlen stoff benetzt ist.

3. Absorber nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kohlenstoff Ruß aufweist.

4. Absorber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Absor ber-Lamelle zweischichtig ausgebildet ist, so daß zwi schen der Oberschicht und der Unterschicht ein Hohlraum ausgebildet ist, durch den das Wärmetauschermedium strömen kann.

5. Sonnenkollektor mit mindestens einer Absorber-Lamelle, an der Mittel vorgesehen sind, um die durch die Absor ber erzeugte Wärme durch ein Wärmetauschermedium ab zuleiten, und die eine dunkel eingefärbte Absorberober fläche aufweist, und einem Rahmen zur Halterung der Absorber-Lamelle, dadurch gekenn zeichnet, daß der Rahmen Kohlenfaserstoff auf weist, der durch einen Harz zu einer Flächenstruktur vernetzt ist.

6. Sonnenkollektor nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der Rahmen eine Halterung zur Aufnahme eines Sicherheitsglases aufweist.

7. Sonnenkollektor nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß in dem Sonnenkollektor unterhalb der Unterseite des Absorbers eine Dämmschicht angeordnet ist.

8. Sonnenkollektor nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Dämmschicht Steinwolle aufweist.

9. Sonnenkollektor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Dämmschicht und dem Absorber ein mit Luft gefüllter Zwischenraum vorgesehen ist, der als Wärmespeicher fun giert.

10. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 5 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß dieser meh rere Absorber aufweist, die in dem Gehäuse nebenein ander angeordnet sind.

11. Sonnenkollektor nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die Absorber in der Halte rung angeordnet sind.

12. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dieser mindestens einen der Absorber gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist.

13. Sonnenkollektor nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, daß dieser mehrere lamellen artige Absorber aufweist, die nebeneinander in der Hal terung angeordnet sind.

14. Sonnenkollektor nach Anspruch 13, dadurch ge kennzeichnet, daß die Hohlräume der jeweils nebeneinander angeordneten Absorber ineinander münden.

15. Sonnenkollektor nach Anspruch 14, dadurch ge kennzeichnet, daß zwischen den Hohlräumen der Absorber Verbindungsmittel vorgesehen sind, um eine dichte Verbindung zwischen den Absorbern zu ermöglichen und einen Verlust des wärmetauschermediums zu verhin dern.

16. Verfahren zur Herstellung einer vernetzten Flächenstruk tur, insbesondere zur Herstellung eines Absorbers zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärmeenergie oder eines Rahmens für einen Sonnenkollektor, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenstruktur durch Vernetzung von Kohlenfaserstoff mit einem Harz gebildet wird und mit Vakuumdruck unter Wärmeeinwirkung in eine entsprechende Form gepreßt wird.

17. Absorber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß dieser die Gestalt eines Dachsteins oder einer Dachpfanne aufweist.