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Die
Erfindung betrifft einen Strahlungskollektor mit einem Absorber
für einfallende
elektromagnetische Strahlung gemäß Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Strahlungskollektoren
und insbesondere Sonnenkollektoren dienen dazu, Strahlungsenergie in
Wärme umzuwandeln
und benutzen hierfür
Absorber, mit denen die Strahlungsenergie aufgefangen und in Wärmeenergie
umgesetzt wird. Die in dem Absorber entstandene Wärmeenergie
wird dann auf ein Wärmeträgermedium übertragen,
das in einem Wärmeträgerleiter
umläuft,
wobei der Wärmeträgerleiter mit
dem Absorber in der Regel in thermisch leitender Verbindung steht.
Das Wärmeträgermedium
kann dann in hier nicht weiter interessierender Weise z. B. zur
Heizung von Räumen,
Schwimmbädern
oder dergleichen benutzt werden.
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Es
ist eine sehr große
Anzahl von unterschiedlichen konstruktiven Gestaltungen von Strahlungskollektoren
bekannt, die unterschiedliche Wirkungsgrade und Vor- und Nachteile
aufweisen. Ziel der Optimierung derartiger Strahlungskollektoren
ist es, einerseits die Absorption der Strahlungsenergie am Absorber
zu erhöhen
und damit die Strahlung in Wärme
umzuwandeln, zum anderen aber auch insbesondere den Wärmeübergang
vom Absorber auf das Wärmeträgermedium
möglichst
effektiv zu machen. Hierbei werden die unterschiedlichen Wärmeleitzahlen
von festen und flüssigen
Stoffen ausgenutzt, wodurch durch entsprechende Materialkombinationen
und Verwendung geeigneter Wärmeträgermedien
eine Optimierung erfolgen kann.
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Am
verbreitetsten sind sogenannte Flachkollektoren, die aus einem flächigen Absorber
hinter einer transparenten Abdeckung aufgebaut sind, wobei die transparente
Abdeckung in der Regel aus einem entsprechend beschichteten Solarglas
besteht, das sichtbares Licht gut durch läßt, gleichzeitig aber die vom
Absorber nach der Umwandlung der einfallenden Strahlungsenergie
vorderseitig ausgehende Wärmeabstrahlung
zurückhält und darüber hinaus
einen Wärmeentzug
durch vorbeistreichende kältere Luft
und damit Konvektionsverluste soweit möglich verhindert. Die transparente
Abdeckung sorgt gemeinsam mit einem Gehäuse dafür, daß der Absorber und der hinter
dem Absorber angeordnete und mit dem Absorber thermisch verbundene
Wärmetauscher
vor Witterungseinflüssen
geschützt
sind. Innerhalb des Gehäuses
wird zumindest auf der Rückseite noch
eine Wärmedämmung vorgesehen,
durch die Wärmeverluste
durch Wärmeleitung
verhindert werden. Der Wärmetauscher
besteht aus einer Anordnung von Wärmeträgerrohren, die am oder hinter dem
Absorber angeordnet sind und durch die thermische Verbindung mit
dem Absorber die von dem Absorber aufgenommene Strahlungsenergie
und damit die umgewandelte Strahlungswärme über den Wärmetauscher an ein den Wärmetauscher
durchfließendes
Wärmeträgermedium
abgibt.
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Eine
weitere Bauform von Strahlungskollektoren sind die sogenannten Vakuum-Röhrenkollektoren, die einen
Absorber in Form eines Absorberstreifens in einer evakuierten, druckfesten
Glasröhre
aufweisen. Die Wärmeflüssigkeit
durchströmt
den Absorber direkt in einem U-förmig
gebogenen Wärmerohr
oder im Gegenstrom in einem Rohr-im-Rohr-System. Der Wärmetauscher
ist üblicherweise
an einem Ende des Vakuum-Röhrenkollektors
angeordnet und wärmeleitend
mit dem Wärmerohr
verbunden, wobei das Wärmerohr
selbst wieder thermisch leitend an dem Absorber festgelegt ist. Damit
erfolgt eine Übertragung
von dem Absorber auf das Wärmerohr
und dessen Inhalt und von dem Inhalt des Wärmerohres in einem Wärmetauscher auf
eine Wärmeträgerflüssigkeit.
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Beiden
vorstehenden, aber auch anderen Bauformen von Strahlungskollektoren
liegt der gemeinsamen Nachteil zugrunde, dass bei der Umwandlung
der Strahlungs energie in dem Absorber ein Teil der Strahlungsenergie
von dem Absorber wieder in den Umgebungsbereich abgegeben wird,
ohne dass diese Strahlungsenergie über den Wärmeträgerleiter auf die Wärmeträgerflüssigkeit übertragen werden
kann. Ein Teil dieser Strahlungswärme wird vorderseitig und damit
in Einfallsrichtung der Strahlungsenergie vom Absorber wieder abgegeben
und kann in gewissen Grenzen durch eine entsprechende Ausgestaltung
der transparenten Abdeckung beispielsweise eines Flachkollektors
aufgefangen und im Inneren des Flachkollektors gehalten werden.
Damit kann ein Teil dieser Abwärme über entsprechende
thermische Leitung doch noch in den Wärmeträgerleiter eingekoppelt und
auf das Wärmeträgermedium übertragen
werden. Neben der Abstrahlung von Wärmestrahlung in die Richtung
zurück,
aus der die Strahlungsenergie in den Kollektor einfällt, wird
auch auf der Rückseite
des üblicherweise
flächig
ausgebildeten Absorbers Wärmestrahlung
vom Absorber eigentlich nutzlos abgegeben. Hierbei wird beispielsweise
bei Flachkollektoren durch eine entsprechende Wärmedämmung dafür gesorgt, dass auch diese Strahlungswärme innerhalb
des Flachkollektors verbleibt und in dem schon geschilderten Wege
indirekt und unter relativ großen
Verlusten doch noch in die Wärmeträgerflüssigkeit
eingekoppelt werden kann. Je nach der Bauart des Absorbers sind
die Verluste an Wärmestrahlung,
die durch die senkrecht zu den üblicherweise
flächigen
Oberflächen
des Absorbers abgestrahlte Wärmeenergie
verlorengeht, relativ hoch. Es ist daher schon mehrfach vorgeschlagen worden,
diese Strahlungsenergie durch entsprechende Modifikation des Strahlungskollektors
zu mindestens teilweise mit einem höheren Wirkungsgrad zurückzugewinnen,
als dies bei den üblichen
Bauformen möglich
ist.
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So
ist beispielsweise aus der
DE
3236888 A1 ein Sonnenkollektorsystem aus mehreren parallel zueinander
angeordneten, rinnenförmigen
Hohlspiegelreflektoren bekannt, die um eine Längsachse parallel zueinander
verstellbar sind, wobei das einfallende Sonnenlicht jeweils auf
Kollektorrohre fokussiert wird, die auf der Rückseite eines benachbarten
Reflektors angeordnet sind und gleichzeitig als Drehachse für diesen
Reflektor dienen. Die Rückseite
jedes Reflektors ist mit einer Licht absorbierenden Schicht versehen,
sodass insgesamt ein höherer
Anteil des einfallenden Sonnenlichtes in Wärmeenergie innerhalb des Wärmeträgermediums
umgesetzt werden kann. Einen anderen Weg geht die
DE 19505981 A1 , bei der
ein Sonnenkollektor mit einem zweifachen Absorber derart versehen
ist, dass die Sonnenstrahlen auf einem teilweise lichtdurchlässigen Absorber
auftreffen und ein Teil dieser Sonnenstrahlen in diesem Absorber
absorbiert und in Wärmeenergie umgesetzt
wird. Der andere Teil der Sonnenstrahlen tritt durch den ersten
Absorber hindurch und trifft auf den weiter innenliegenden zweiten
Absorber, in dem dann die Sonnenstrahlen ebenfalls in Wärmeenergie umgesetzt
werden können.
Durch diese doppelte Ausgestaltung eines Absorbers wird die Wärmestrahlung,
die von dem ersten Absorber in den Bereich des zweiten Absorbers
abgestrahlt wird, von dem zweiten Absorber ebenfalls mit aufgenommen und
an das Wärmeträgermedium
abgegeben. Hierdurch kann die Effektivität erhöht werden. Nachteilig an beiden
vorstehend genannten Lösungen
ist es jedoch, daß der
Bauaufwand zur Herstellung eines derartigen Kollektors relativ hoch
ist bzw. eine aktive Steuerung der Reflektionselemente benötigt wird,
die zur Reflektion der einfallenden Strahlungsenergie benötigt werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Strahlungskollektor
der gattungsgemäßen Art
derart weiterzubilden, daß ein
größerer Teil der
von einem Absorber abgegebenen und aus der Strahlungsenergie hervorgegangenen
Wärmestrahlung,
die bei bekannten Bauarten nicht oder nur unzureichend auf ein Wärmeträgermedium übertragen werden
kann, zurückgewonnen
wird und mit einem hohen Wirkungsgrad in das Wärmeträgermedium eingekoppelt werden
kann.
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Die
Lösung
der erfindungsgemäßen Aufgabe
ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in
Zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung geht aus von einem Strahlungskollektor mit einem Absorber
für einfallende elektromagnetische
Strahlung, insbesondere für
einfallende Sonnenstrahlung, und mindestens einem von einem Wärmeträgermedium
durchströmten
Wärmeträgerleiter,
bei dem Absorber und Wärmeträgerleiter
in einem thermisch leitenden Kontakt miteinander stehen. Ein derartiger
Strahlungskollektor wird dadurch weiterentwickelt, dass an oder
im Bereich des mindestens einen Wärmeträgerleiters neben dem Kontakt
zu dem Absorber weitere Wärme
aufnehmende und diese Wärme
zum Wärmeträgerleiter oder
zum Absorber leitende Wärmeleitelemente
vorgesehen sind, die die zu der von der Einfallsrichtung der elektromagnetischen
Strahlung abgewandten Seite des Absorbers von dem Absorber abgegebene Wärmeenergie
zumindest teilweise aufnehmen und an den Wärmeträgerleiter abgeben. Hierdurch
wird es erreicht, dass die von dem Absorber in den Bereich des Kollektors,
der zur Wärmeübertragung über den
Wärmeträgerleiter
auf das Wärmeträgermedium nicht
oder nur schlecht geeignet ist, abgegebene Wärmestrahlung und zum Teil auch
die dort vorhandene Konvektionswärme
von diesen Wärmeleitelementen
aufgenommen und über
den Wärmeträgerleiter
an das Wärmeträgermedium übertragen
werden kann. Hierfür
sind die Wärmeleitelemente
genau in diesem Bereich angeordnet und werden damit von der Wärmestrahlung,
die der Absorber unvermeidbar abgibt, getroffen und können diese
Wärmestrahlung umwandeln
und über
die thermische Kopplung mit dem Wärmeträgerleiter auf das Wärmeträgermedium übertragen.
Damit wird der nicht unbeträchtliche
Anteil der bisher nutzlos oder weitgehend nutzlos vom Absorber abgegebenen
Wärmestrahlung
doch noch in Wärmeenergie
umgesetzt, die auf das Wärmeträgermedium übertragen
werden kann und damit wird der Wirkungsgrad eines derartigen Strahlungskollektors
insgesamt wesentlich verbessert sowie die Ausgangstemperatur des
Wärmeträgermediums
aus dem Strahlungskollektor erhöht.
Durch das Vorsehen der Wärmeleitelemente
wird die Fläche,
die zur Wärmeübertragung
der auf den Absorber einfallenden Strahlungsenergie zur Verfügung steht,
erhöht
und gerade in dem Bereich die Wärmestrahlung
aufgefangen und umgewandelt bzw. weitergeleitet, in dem der Absorber
bisher weitgehend nutzlos und nicht vermeidbar Strahlungsenergie
abgibt. Hierbei wird das Verhältnis
von Absorptionsfläche
des Absorbers zu der Fläche
erhöht,
die zum Wärmeübergang
der vom Absorber umgewandelten Strahlungsenergie zur Verfügung steht.
Durch die Erhöhung
der zum Wärmeübergang
zur Verfügung
stehenden Fläche wird
aufgrund der durch die Materialkombinationen feststehenden Wärmeleitzahlen
der beteiligten Werkstoffe bzw. Medien der Wärmeübergang wesentlich effektiver
gestaltet. Hierbei gelingt es durch diese konstruktive Ausgestaltung,
dass bei nur geringfügig erhöhter Masse
des Absorbers eine deutliche Erhöhung
der Effektivität
des Strahlungskollektors erreicht werden kann.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn die Wärmeleitelemente die von dem
Absorber auf die von der Einfallsrichtung der elektromagnetischen Strahlung
abgewandten Seite abgegebene Wärmestrahlung
und in diesem Bereich vorhandene Abwärme zumindest teilweise aufnehmen
und an den Wärmeträgerleiter
abgeben. Hierdurch wird die für
den Einfall der Strahlungsenergie zur Verfügung stehenden Fläche auf der
Vorderseite des Strahlungskollektors nicht beeinträchtigt und
gleichzeitig dafür
gesorgt, dass die auf der von der Einfallsrichtung der Strahlungsenergie
abgewandten Seite des Absorbers ähnlich
wie auch auf der Einfallseite des Absorbers entstehende Wärmestrahlung
aufgefangen werden kann und an das Wärmeträgermedium über den Wärmeträgerleiter übertragen wird. Die Erhöhung der
zur Verfügung
gestellten Fläche
zum Wärmeübergang
der von dem Absorber ansonsten weitgehend nutzlos abgegebenen Strahlungsenergie
erfolgt damit in einem Baubereich des Kollektors, der für den Einfall
der Strahlungsenergie der Sonne nicht benutzt wird und daher diesen
Einfall auch nicht behindern kann. Damit kann zu mindestens die
Hälfte
der in dem Absorber entstehenden Wärmestrahlung, die auf der der
Einfallsrichtung der Strahlung entgegengesetzten Seite des Absorbers
unvermeidlich entsteht, zu mindestens zu einem nennenswerten Anteil wiedergewonnen
werden.
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Eine
weitere Verbesserung der Wärmeübertragung
durch die Wärmeleitelemente
läßt sich
dann erreichen, wenn im Bereich der von der Einfallsrichtung der
elektromagnetischen Strahlung abgewandten Seite des Absorbers eine
Reflektionsschicht angeordnet ist, die die von dem Absorber auf
die von der Einfallsrichtung der elektromagnetischen Strahlung abgewandten
Seite abgegebene Wärmestrahlung
in Richtung auf den Wärmeträgerleiter
und/oder die Wärmeleitelemente
hin wieder zurück
reflektiert. Hierdurch wird bewirkt, dass die von dem Absorber abgegebene
Wärmestrahlung,
die nicht unmittelbar auf ein Wärmeleitelement
auftrifft und dort absorbiert werden kann, von der Reflexionsschicht
zurück
reflektiert wird und damit erneut auf ein Wärmeleitelement treffen und
ebenfalls absorbiert werden kann. Insbesondere, wenn durch die Anordnung
und Ausbildung der Wärmeleitelemente
dafür gesorgt
wird, dass sie gemeinsam mit der Reflektionsschicht eine Mehrfachreflektion
der von dem Absorber in den von der Einfallsrichtung der elektromagnetischen
Strahlung abgewandten Bereich hinter dem Absorber abgegebenen Wärmestrahlung
bewirken, kann ein sehr hoher Anteil der ansonsten häufig nutzlos
in eine Dämmschicht übertragenen
Wärmestrahlung
doch noch auf das Wärmeträgermedium
geleitet werden.
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Ein
weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, wenn die Wärmeleitelemente
aus einem Werkstoff mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, insbesondere aus einem
metallischen Werkstoff mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, gebildet sind. Hierdurch
ist auf die Wärmeleitelemente
auftreffende Wärmestrahlung besonders
gut von den Wärmeleitelemente
aufnehmbar und weiterleitbar.
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Ebenfalls
trägt zur
verbesserten Aufnahme der Strahlungswärme bei, wenn die Wärmeleitelemente
an oder im Bereich des Wärmeträgerleiters derart
festgelegt sind, dass sie in den von der Einfallsrichtung der elektromagnetischen
Strahlung abgewandten Raum hinter dem Absorber hinein ragen. Hierdurch
ist zum einen eine sichere Verbindung zwischen den Wärmeleitelementen
und dem Wärmeträgerleiter
gewährleistet,
zum anderen werden die Abschnitte der Wärmeleitelemente, die zur Aufnahme und
zur Rückgewinnung
der Strahlungswärme
von dem Absorber benötigt
werden, genau in den Bereich positioniert, in den der Absorber die
Wärmestrahlung abgibt.
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Weiterhin
ist es zur Erhöhung
der Wärmeübertragung
von Vorteil, wenn die Wärmeleitelemente eine
große
Kontaktfläche
zu dem Wärmeträgerleiter aufweisen,
vorzugsweise den Wärmeträgerleiter
entlang eines Teiles seines Umfanges vollflächig berühren. Hierdurch kann von den
Wärmeleitelementen aufgefangene
und in Erwärmung
des Wärmeleitelementes
umgewandelte Strahlungswärme
ohne wesentliche Verluste auf den Wärmeträgerleiter und vom Wärmeträgerleiter
auf das den Wärmeträgerleiter
durchströmende
Wärmeträgermedium übertragen werden.
Je größer die Übertragungsfläche und
je inniger der Kontakt zwischen Wärmeträgerleiter und Wärmeleitelementen,
um so weniger Verluste der zurückgewonnenen
Strahlungswärme
des Absorbers werden an dieser Übertragungsstelle
auftreten. Hierbei ist es denkbar, dass in verschiedenen Alternativen
die Wärmeleitelemente
zumindest abschnittsweise vollflächig
mit dem Wärmeträgerleiter
verschweißt,
verlötet
oder verklebt sind. Selbstverständlich
können
auch andere, die Wärmeübertragung
befördernde
Verbindungsmöglichkeiten
genutzt werden.
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Von
Vorteil ist es, wenn die Wärmeleitelemente
flügelartig
von dem Kontaktbereich mit dem Wärmeträgerleiter
abstehende Wärmesammelabschnitte
aufweisen, die in dem von der Einfallsrichtung der elektromagnetischen
Strahlung abgewandten Raum hinter dem Absorber vorhandenen Wärmeenergie
und Wärmestrahlung
aufnehmen und an den Wärmeträgerleiter
weiterleiten. Hierdurch ist einerseits eine einfache Bauform der
Wärmeleitelemente erreichbar,
die zu dem durch verschiedene Anpassungen an die jeweiligen geometrischen
Verhältnisse einfach
verändert
werden kann, indem die Wärmesammelabschnitte
entsprechend geformt und relativ zu dem an dem Wärmeträgerleiter anliegenden Bereich
der Wärmeleitelemente
abgewinkelt werden.
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Weiterhin
wird zur Erhöhung
der Übertragungsfläche einerseits
zwischen der von dem Absorber abgegebenen Strahlungswärme und
der Wärme der
Wärmeleitelemente
zu dem Wärmeträgerleiter vorgeschlagen,
dass die Wärmeleitelemente
zumindest über
Abschnitte entlang der Längserstreckung des
Wärmeträgerleiters
an dem Wärmeträgerleiter angeordnet
sind. Hierbei kann der Wärmeträgerleiter teilweise
oder auch über
die gesamte Länge
mit den Wärmeleitelementen
versehen werden, sodass sich eine deutliche Erhöhung der Übertragungsfläche für die Strahlungswärme des
Absorbers auf das Wärmeträgermedium
ergibt.
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Eine
weitere Verbesserung der Übertragung der
Strahlungswärme
des Absorbers auf die Wärmeleitelemente
kann dadurch erreicht werden, dass die Wärmeleitelemente zumindest abschnittsweise
mit einer den Wärmeübergang
von dem von der Einfallsrichtung der elektromagnetischen Strahlung
abgewandten Raum hinter dem Absorber auf die Wärmeleitelemente begünstigenden
Beschichtung bedeckt sind. Derartige Beschichtungen sind grundsätzlich bekannt
und sollen hier nur dem Grunde nach erwähnt werden.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
der Wärmeträgerleiter aus
einem im wesentlichen längserstreckten
Rohr oder Kanal besteht, der mit dem Absorber zumindest entlang
eines Teiles seiner Außenabmessungen,
vorteilhafter Weise vollflächig,
und wärmeleitend
verbunden ist. Derartige Wärmeträgerleiter
werden üblicherweise
als eine Anordnung von längserstreckten Rohren
oder Kanälen
an oder hinter einem Absorber eines Strahlungskollektors angeordnet
und sind ebenfalls weitgehend bekannt.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn das Verhältnis der Absorptionsfläche des
Absorbers und der Flächen
von Reflektorschicht sowie Wärmeleitelementen
im wesentlichen in einem Verhältnis
von 1 zu 1 zueinander stehen. Hierdurch wird nahezu die gesamte
Strahlungswärme,
die von dem Absorber in den Bereich der Wärmeleitelemente abgegeben wird,
von den Wärmeleitelementen
aufgenommen und an das Wärmeträgermedium
weitergeleitet.
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Ebenfalls
ist es denkbar, dass der Absorber aus einzelnen Lamellen gebildet
ist, die jeweils mit mindestens einem Wärmeträgerleiter verbunden sind. Die
vorstehend gemachten Ausführungen
hinsichtlich der Ausgestaltung und Ankopplung des Wärmeträgerleiters
an die Wärmeleitelemente
lässt sich
entsprechend hierauf auch übertragen,
wobei an Stelle des einzelnen Absorbers jeweils eine Lamelle des
aus mehreren Lamellen bestehenden Absorbers tritt.
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Eine
vorteilhafte erste Ausgestaltung des Strahlungskollektors sieht
vor, dass der Strahlungskollektor als Flachkollektor ausgebildet
ist. Hierbei kann der Flachkollektor aus einer transparenten flächigen Abdeckung,
dem flächigen
Absorber, dem mindestens einen Wärmeträgerleiter
und einer Dämmung
gebildet sein, die schichtweise in ein Gehäuse eingelegt sind. Eine erste
Weiterbildung gemäß der Erfindung
sieht dabei vor, dass die Reflektionsschicht im Bereich der Dämmung des
Flachkollektors angeordnet ist, zum Beispiel indem die Reflektionsschicht als
ein auf die rückseitige
Innenfläche
der Dämmung des
Strahlungskollektors aufgebrachtes Reflektionsblech ausgebildet
ist. Hierdurch kann die von dem Absorber abgestrahlte Strahlungswärme nicht
direkt in die Dämmung
wie bei sonst üblichen
Flachkollektoren eintreten, sondern wird von der Reflektionsschicht
in Richtung auf die Wärmeleitelemente
zurückgeworfen
und dort aufgenommen. Dieser Vorgang kann durchaus auch in Form
einer Mehrfachreflektion vonstatten gehen.
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Eine
besonders einfache Ausgestaltung der Wärmeleitelemente und der Zuordnung
der Wärmeleitelemente
zu dem Wärmeträgerleiter
lässt sich
dadurch erreichen, dass die Wärmeleitelemente
im wesentlichen wellenförmig
ausgebildete Blechabschnitte aufweisen, in deren Wellentälern der
oder die Wärmeträgerleiter
einlegbar und im wesentlichen vollflächig und wärmeleitend an den Wärmeträgerleitern festlegbar
sind. Insbesondere, wenn die Wellentäler der Wärmeleitelemente von ihren Maßen auf
die Außenabmessungen
der Wärmeträgerleiter
abgestimmt sind, ist sowohl die Positionierung als auch die Festlegung
der Wärmeträgerleiter
an den Wärmeleitelementen
einfach und genau und damit auch die Wärmeübertragung vom Wärmeleitelement
auf den Wärmeträgerleiter
gut.
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In
einer anderen Ausgestaltung des Strahlungskollektors kann der Strahlungskollektor
als Vakuum-Röhrenkollektor
ausgebildet sein, wobei der Vakuum-Röhrenkollektor aus zwei ineinander
angeordneten Röhren
gebildet ist, in denen ein Absorber ange ordnet ist und in wärmeleitender
Verbindung mit einem Wärmeträgerleiter
steht. Ein derartiger Absorber wird häufig als ein im wesentlichen
flächiger
Absorber ausgebildet sein. In Weiterbildung kann hierbei die Reflektionsschicht
als ein im wesentlichen parallel zu den Röhren des Vakuum-Röhrenkollektors gebogenes,
die Röhren
abschnittsweise umhüllendes
Reflektionsblech ausgebildet werden. Durch dieses Reflektionsblech
wird bei dem Vakuum-Röhrenkollektor
an dem Absorber entstehende Strahlungswärme im wesentlichen auf der
der Einfallsrichtung der Strahlung zum Beispiel der Sonne gegenüberliegenden
Seite des Vakuum-Röhrenkollektors
von dem Reflektionsblech in Richtung auf den Absorber und damit
die Wärmeleitelemente
an dem Wärmeträgerleiter
zurück
reflektiert und in der vorstehend für Flachkollektoren schon beschriebenen
Weise zurückgewonnen.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zur Verbesserung
der Wärmeübertragung
von dem Wärmeträgerleiter
auf das Wärmeträgermedium
im Inneren des Wärmeträgerleiters
das Volumen des Wärmeträgerleiters
unterteilende Rippen oder Stege vorgesehen sind, mit denen die Kontaktfläche zwischen
Wärmeträgermedium
und Wärmeträgerleiter
vergrößert wird.
Auch hierdurch wird die Fläche,
die zur Verfügung
steht, weiter erhöht
und damit die Wärmeübertragung
auf das Wärmeträgermedium
wesentlich verbessert.
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Hierbei
können
in einer denkbaren Weiterbildung die das Volumen des Wärmeträgerleiters
unterteilenden Rippen oder Stege das Innere des Wärmeträgerleiters
in einzelne, in sich abgeschlossene Segmente unterteilen. Bildlich
gesprochen wird der Wärmeträgerleiter
aus einer Anzahl von einzelnen Wärmeträgerleitern
geringeren Querschnittes gebildet, in denen jeweils voneinander
abgetrennt das Wärmeträgermedium
die einzelnen Wärmeträgerleiter durchläuft. Es
ist aber ebenfalls denkbar, dass die das Volumen des Wärmeträgerleiters
unterteilenden Rippen oder Stege von der Innenwandung des Wärmeträgerleiters
hinein ragen. Hierdurch wird beispielsweise wie aus der Technik
von Wärmetauschern
grundsätzlich
bekannt etwa durch stranggepresste Rohre oder dergleichen mit vielgestaltigen Querschnitten
die zum Wärmeübergang
zur Verfügung
stehende Fläche
zwischen Wärmeträgermedium
und Wärmeträgerleiter
erhöht.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Strahlungskollektors zeigt
die Zeichnung.
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Es
zeigen:
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1 – eine erste
Ausgestaltung eines Strahlungskollektors in Form eines Flachkollektors mit
an dem Absorber angeordneten Wärmeträgerleitern
und Wärmeleitelementen,
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2 – eine vergrößerte Ansicht
eines Wärmeträgerleiters
gemäß 1 mit
an dem Wärmeträgerleiter
angeordneten Wärmeleitelementen
und einer modifizierten Gestaltung des Inneren des Wärmeträgerleiters,
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3 – eine Gestaltung
eines Strahlungskollektors in Form eines Vakuum-Röhrenkollektors,
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4 – eine weitere
Detailzeichnung eines erfindungsgemäßen Strahlungskollektors mit
verschiedenen Details.
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In
den 1 und 2 ist eine erste Ausgestaltung
eines erfindungsgemäßen Strahlungskollektors 1 in
Form eines Flachkollektors dargestellt, wobei der gesamte Flachkollektor
schematisch in der 1 abgebildet und in einer Vergrößerung einer
der Wärmeträgerleiter 2 mit
den daran angeordneten Wärmeleitelementen 3 in
der 2 dargestellt ist. In der 3 ist dann
eine andere Ausgestaltung des Strahlungskollektors 1 in
Form eines Vakuum-Röhrenkollektors
zu erkennen. Gleiche Sachnummern bezeichnen hierbei gleiche Sachverhalte
und Bauteile.
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Der
Strahlungskollektor 1 gemäß der 1 ist in
grundsätzlich
bekannter Weise aus einem Gehäuse 5 mit
einer oberseitig das Gehäuse
verschließenden
transparenten Abdeckung 9 aus einem Solarglas gebildet,
in dessen Inneren ein plattenförmiger
Absorber 10 sich im wesentlichen über die gesamte Innenfläche des
Gehäuses 5 erstreckt
und eine Absorptionsfläche 23 zur
Absorption einfallender Strahlungsenergie wie etwa Sonnenstrahlung 8 zur
Verfügung
stellt. Entgegengesetzt zu der Richtung, aus der die Strahlungsenergie 8 auf
den Absorber 10 auftritt, sind an der Unterseite des Absorbers 10 einer
Anzahl von Wärmeträgerleitern 2 aus
rohrförmigen
Abschnitten gebildet und über
eine wärmeleitende
Verbindung 14 wie etwa eine Lötverbindung oder dergleichen
mit dem Absorber 10 thermisch und mechanisch verbunden.
Der Absorber 10 wandelt hierbei die auf der Absorptionsfläche 23 auftreffende Sonnenstrahlung 8 zu
einem Teil in Wärme
um und leitet diese Wärme über die
wärmeleitende
Verbindung an die Wärmeträgerleiter 2 weiter,
die wiederum die Wärme
auf ein in den Wärmeträgerleitern 2 umlaufendes
Wärmeträgermedium 4 überträgt. Der Übergang
der auf der Absorptionsfläche 23 auftreffenden
Sonnenstrahlung 8 auf das Wärmeträgermedium 4 erfolgt
hierbei nicht verlustfrei, da auf der Absorptionsfläche 23 ein
Teil der auftreffenden Sonnenstrahlung 8 wieder als Wärmestrahlung 11 in
Richtung auf die transparente Abdeckung 9 zurück strahlt und
von dort zu mindestens teilweise mehrfach hin und her reflektiert
wird. Diese Wärmestrahlung 11 erwärmt den
Raum oberhalb des Absorbers 10 bis zur transparenten Abdeckung 9 und
geht zu einem geringen Teil über
den Absorber 10 wieder auf das Wärmeträgermedium 4 über. Entsprechendes
passiert auch auf der von der Einfallsrichtung der Sonnenstrahlung 8 abgewandten
Seite 22 des Absorbers 10, von dessen Oberfläche ebenfalls
eine Wärmestrahlung 12 in
den Raum zwischen dem Absorber 10 und dem üblicherweise
rückseitig
des Gehäuses 5 angeordneten
Dämmaterial 7 abgestrahlt
wird. Diese Wärmestrahlung 12 wird
bei üblichen
Strahlungskollektoren 1 zu einem Teil von dem Dämmaterial 7 aufgenommen
und gespeichert, geht aber im wesentlichen mit Ausnahme von gewissen
Anteilen, die wieder auf den Absorber 10 oder die Wärmeträgerleiter 2 zurückfallen,
verloren.
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Bei
der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des
Strahlungskollektors 1 wird diese eigentlich nicht nutzbare
Wärmestrahlung 12 von
der Rückseite 22 des
Absorbers 10 nun dadurch an das Wärmeträgermedium 4 übertragen,
dass zum einen auf der Oberfläche
des Dämmaterials 7 eine
Reflektionsschicht 6 beispielsweise in Form eines Reflektionsbleches
aufgebracht ist und diese Wärmestrahlung 12 als
Reflektionsstrahlung 13 zurück in Richtung auf den Absorber 10 bzw.
die Wärmeträgerleiter 2 reflektiert wird.
Weiterhin ist an den Wärmeträgerleitern 2 eine noch
näher beschriebene
Anordnung von Wärmeleitelementen 3 vorgesehen,
die diese Wärmestrahlung 13,
die von der Reflektionsschicht 6 wieder zurück reflektiert
wird, auffängt,
in Wärme
umsetzt und an das Wärmeträgermedium 4 über die
Wärmeträgerleiter 2 weiterleitet.
Hierdurch ist gewährleistet,
dass die von dem Absorber 10 auf der Rückseite 22 abgegebene Wärmestrahlung 12 zu
einem sehr hohen Anteil doch noch in das Wärmeträgermedium 4 gelangen
und damit zur Erhitzung des Wärmeträgermediums 4 beitragen
kann. Damit wird der Wirkungsgrad des Strahlungskollektors 1 in signifikanter
Weise erhöht,
darüber
hinaus kann die Ausgangstemperatur des Wärmeträgermediums 4 aus dem
Strahlungskollektor 1 verbessert werden.
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Die
Wärmeleitelemente 3 werden,
wie dies insbesondere aus der 2 noch besser
zu erkennen ist, an den Wärmeträgerleitern 2 festgelegt,
indem sie sich zu mindestens über
einen Teil des Umfanges der Wärmeträgerleiter 2 eng
an die Außenkontur
der Wärmeträgerleiter 2 anlegen
und mittels einer wärmeleitenden
Verbindung 15 wie beispielsweise einer Lötverbindung
oder dergleichen mit den Wärmeträgerleitern 2 verbunden
sind. Hierfür
ist die Geometrie zu mindestens in diesem Abschnitt, mit dem die
Wärmeleitelemente 3 an
dem Wärmeträgerleiter 2 anliegen,
genau entsprechend der Außenkontur
der Wärmeträgerleiter 2 gebogen,
sodass die Herstellung einer entsprechenden wärmeleitenden Verbindung 15 einfach
und unproblematisch ist. Hierdurch ist eine im wesentlichen vollflächige Anlage zwischen
Wärmeleitelementen 3 und
Wärmeträgerleitern 2 erzielbar,
wodurch der Wärmeübergang
von den Wärmeleitelementen 3 auf
die Wärmeträgerleiter 2 und
damit auf das Wärmeträgermedium 4 besonders
effektiv ist.
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Die
Wärmeleitelemente 3 sind
in den Bereichen 18, in denen sie von den Wärmeträgerleitern 2 abstehen,
so geformt, dass sie mit diesen Bereichen 18 einen möglichst
großen
Anteil der Wärmestrahlung 12,
die als Wärmestrahlung 13 von
der Reflektionsschicht 6 wieder auf die Wärmeträgerleiter 2 und die
Wärmeleitelemente 3 zurück reflektiert
wird, aufnehmen können.
Beispielsweise sind die Wärmeleitelemente 3,
wie in der 2 besonders gut zu erkennen,
bogenförmig
ausgebildet und daher für
das Einfangen von aus verschiedenen Richtungen auftreffende Wärmestrahlung 13 besonders
gut geeignet. Die Wärmeleitelemente 3 sind
beispielsweise aus einem Wärme
besonders gut leitenden metallischen Material hergestellt, sodass
die auf den Bereichen 18 auftreffende Wärmestrahlung 12 unmittelbar
in den Bereich der wärmeleitenden
Verbindung 15 mit dem Wärmeträgerleiter 2 weitergeleitet
und dort in das Wärmeträgermedium 4 eingekoppelt
werden.
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Durch
die Anordnung der Wärmeleitelemente 3 an
den Wärmeträgerleitern 2 und
insbesondere das Vorsehen von Wärmeleitelementen 3 entlang wesentlicher
Teile der Länge
der Wärmeträgerleiter 2 steht
eine ausreichende Oberfläche
zum Auffangen der Wärmestrahlung 12 bzw. 13 zur
Verfügung,
die über
die Reflektionsschicht 6 von dem Absorber 10 wieder
in den Bereich der Wärmeträgerleiter 2 und damit
der Wärmeleitelemente 3 zurück reflektiert werden.
Damit kann der wesentliche Teil dieser Wärmestrahlung 12 bzw. 13 aufgefangen
und genutzt werden, sodass sich der Wirkungsgrad derart ausgebildeter
Strahlungskollektoren 1 wesentlich gegenüber den
bekannten Ausführungen
erhöht.
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Eine
weitere Verbesserung bei der Rückgewinnung
der Strahlungswärme 12 bzw. 13 lässt sich dadurch
erreichen, dass im Inneren des Wärmeträgerleiters 2 rippenartige
Vorsprünge 21 bzw.
Trennstege 16 derart in das Wärmeträgermedium hineinragen, dass
sich eine vergrößerte Oberfläche für den Übergang
der Wärme
von den Wandungen des Wärmeträgerleiters 2 in
das Innere des Wärmeträgermediums 4 ergibt.
Entweder kann hierzu das Innere des Wärmeträgerleiters 2 in einzelne
Sektionen bzw. Kammern 17, 17', 17'', 17''', 17'''' unterteilt
werden, sodass sich quasi eine aus mehreren Segmenten gebildete,
voneinander getrennte Ausbildung des Inneren des Wärmeträgerleiters 2 wie
bei üblichen
Wärmetauschern
ergibt. Ebenfalls ist es denkbar, dass die rippenartigen Vorsprünge 21 nur
am Rande der Innenwandung des Wärmeträgerleiters 2 ein
Stück in das
Innere des Wärmeträgerleiters 2 hinein
vorstehen und damit ebenfalls eine wesentliche Erhöhung der Übergangsfläche zwischen
der Wandung des Wärmeträgerleiters 2 und
dem Wärmeträgermedium 4 bildet.
Zum einen wird hierdurch die Fläche
vergrößert, die
zu Wärmeübergang
zur Verfügung
steht, zum anderen werden die Strömungsverhältnisse innerhalb des Wärmeträgerleiters 2 günstig derart
beeinflußt,
dass sich eine turbulente Strömung
des Wärmeträgermediums 4 einstellen
kann.
-
In
der 3 ist eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strahlungskollektors 1 in
Form eines Vakuum-Röhrenkollektors
schematisch angedeutet, wobei der Vakuum-Röhrenkollektor aus einem transparenten
Außenrohr 19 und
einem als Wärmerohr ausgebildeten
Wärmeträgerleiter 2 gebildet
wird, zwischen dem in einem Vakuum 20 ein Absorber 10 angeordnet
und zur Absorption von Strahlungsenergie 8 geeignet ist.
Der Absorber 10 nimmt dabei die Strahlungsenergie 8 auf
und leitet diese, isoliert gegenüber
Wärmekonvention
durch das Vakuum 20, an das Wärmerohr 2 weiter,
dass von einem Wärmeträgermedium 4 durchströmt wird.
Da die Strahlungsenergie 8 im wesentlichen auf die Absorptionsfläche 23 des
Absorbers 10 fällt,
ist auf der von der Einfallsrichtung der Strahlungsenergie 8 abgewandten
Unterseite 22 des Absorbers 10 wieder eine Abstrahlung
von Wärmestrahlung 12 festzustellen,
die bei konventionellen Vakuum-Röhrenkollektoren
trotz der Isolierung durch das Vakuum 20 weitgehend nutzlos
in die Umgebung abgegeben wird. Wird nun im wesentlichen konzentrisch
zu der Erstreckung des transparenten Außenrohres 19 und von
diesem ein wenig beabstandet eine Reflexionsschicht 6' in Form eines Reflektionsbleches
angeordnet, so fällt
die von dem Absorber 10 abgestrahlte Wärmestrahlung 12 über die
Reflexionsschicht 6' auf
an dem Wärmerohr 2 angeordnete
Wärmeleitelemente 3 in
einer Weise, die vorstehend für
den Flachkollektor schon ausführlich beschrieben
wurde. Hiermit kann diese reflektierte Wärmestrahlung 13 ebenfalls
aufgefangen und wieder an das Wärmerohr 2 und
damit an das Wärmeträgermedium 4 weitergeleitet
werden. Auch hierdurch lässt
sich eine wesentlich Erhöhung
des Wirkungsgrades derartiger Vakuum-Röhrenkollektoren erzielen.
-
Weitere
entscheidende Veränderungen
können
in Folgendem gesehen werden (siehe hierzu 4):
- • Veränderung
der Wandung der Absorberrohre
- • Flächenvergrößerung des
Innenrohrdurchmessers mit Sternkörper
- • Anbringung
weiterer Absorberrohre an der Rückwand
des Absorberbleches
- • Auffangbleche
um die Absorberrohre der Rückwand
des Absorberbleches
- • Reflektorfolie
oberhalb der Isolierung
- • Wölbung der
Absorberfläche
- • Veränderung
des Mediums auf lebensmitteltaugliches Thermoöl
- • Änderung
der Differenzregelung auf 120 °C Speichertemperatur
-
Maße des Kollektors:
- • Höhe 2000
mm
- • Breite
1230 mm
- • Tiefe
95 mm
-
- 1
- Strahlungskollektor
- 2
- Wärmeträgerleiter
- 3
- Wärmeleitelement
- 4
- Wärmeträgermedium
- 5
- Gehäuse
- 6,
6'
- Reflektionsschicht
- 7
- Dämmung
- 8
- einfallende
Sonnenstrahlung
- 9
- transparente
Abdeckung
- 10
- Absorber
- 11
- von
Absorber abgegebene Wärmestrahlung
- 12
- von
Absorber abgegebene Wärmestrahlung
- 13
- von
Reflektionsschicht reflektierte Wärmestrahlung
- 14
- wärmeleitende
Verbindung
- 15
- wärmeleitende
Verbindung
- 16
- Trennstege
- 17–17''''
- Kammern
- 18
- Wärmestrahlung
aufnehmende Fläche des
Wärmeleitelements
- 19
- transparentes
Außenrohr
- 20
- Vakuum
- 21
- Vorsprünge
- 22
- von
Einfallsrichtung abgewandte Seite des Absorbers
- 23
- Absorptionsfläche