DE202009017830U1

DE202009017830U1 - Solar-Flachkollektor

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Publication number: DE202009017830U1
Application number: DE202009017830U
Authority: DE
Original assignee: SOLA TERM GmbH; SOLA-TERM GmbH
Current assignee: EDMOND GRAESSER, DE; GRAESSER, EDMOND, DE
Priority date: 2008-09-09
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2010-09-23
Anticipated expiration: 2019-09-10
Also published as: WO2010028818A3; WO2010028818A2; DE102009040653A1

Abstract

Solar-Flachkollektor (FK, FK', FK'') mit wenigstens einer Absorberfläche (A), einer transparenten Abdeckung (G, G''), sowie mit wenigstens einem Wärmeträgerrohr (R, R', R''), welches eine Wärmeträgerflüssigkeit (F) enthält, wobei
– Sonnenstrahlung (S) imstande ist, die Abdeckung (G, G'') zu durchdringen und danach auf die Absorberfläche (A, A', A'') zu gelangen und diesen zu erwärmen, und
– das Wärmeträgerrohr (R, R', R'') an der die Absorberfläche (A, A', A'') angeordnet ist und mit diesem in thermischem und mechanischem Kontakt steht, so dass eine Erwärmung der Absorberfläche (A, A', A'') durch Sonnenstrahlung (S) auf Grund von Wärmeleitung zu einer Erwärmung des Wärmeträgerrohres (R, R', R'') und somit auch zu einer Erwärmung der darin befindlichen Wärmeträgerflüssigkeit (F) führt.
dadurch gekennzeichnet, dass das/die Wärmeträgerrohr/e (R, R', R'') ein Wärmerohr (R, R', R''), nämlich ein Heatpipe oder ein Zwei-Phasen-Thermosiphon, ist.

Description

Technisches Gebiet:
Die Erfindung betrifft einen Solar-Flachkollektor mit wenigstens einer Absorberfläche, einer transparenten Abdeckung, sowie mit wenigstens einem Wärmeträgerrohr, welches ein Wärmeträgermedium enthält, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik:
Das Funktionsprinzip von Solar-Flachkollektoren beruht darauf, dass Sonnenstrahlung eine Absorberfläche bestrahlt, dort großteils absorbiert wird und hierdurch die Absorberfläche erwärmt, wobei dies in thermischem Kontakt steht mit in der Regel einem mäanderförmig gewundenen oder mit mehreren parallelen Röhren. Diese sind von einer die Wärme an einen Speicher, einen Wärmetauscher oder einen Verbraucher abführenden Wärmeträgerflüssigkeit durchflossen. Die Röhre bzw. die parallelen Röhren verlaufen dabei in einer Ebene, woraus sich die Bezeichnung ”Solar-Flachkollektor” erklärt.
Aus der DE 20 2007 008 053 U1 ist ein Hochleistungs-Vakuum-Flachkollektor bekannt, welcher aus drei Teilen besteht, nämlich aus durchsichtigen Scheiben, aus abgedunkelten, Wärme absorbierenden, hitzebeständigen Scheiben und aus einer Wärmeleitplatte, auf welcher sich ein Wärmeträgerrohr befindet. Des Weiteren beschreibt die DE 10 2007 062 264 A1 einen solarthermischen Vakuum-Flachkollektor, welcher aus sehr wenigen Einzelteilen besteht.
Die DE 202 16 297 U1 beschreibt einen heliothermischen Flachkollektor-Modul in Sandwichbauweise mit einem Metallblech-Paneel, einer registerartigen Anordnung von Kapillar-Röhrchen und einem Dämmstoffkern, wobei die Kapillar-Röhrchen auf eine Oberfläche des Dämmstoffkerns gelegt sind und dieser mit dem Metallblech-Paneel elastisch klebend verbunden ist.
Den Solar-Flachkollektoren des Standes der Technik ist der Nachteil gemeinsam, dass der Abtransport der gewonnenen Wärme relativ uneffektiv ist und in den meisten Fällen die Wärmeträgerflüssigkeit mit einer Umwälzpumpe gefördert werden muss, was aufwändig ist und Energie verbraucht.
Technische Aufgabe:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Solar-Flachkollektor zu schaffen, der auf besonders einfache, wenig aufwändige Weise herzustellen ist und eine große Solarernte wie auch eine lange Lebensdauer aufweist. Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zu Grunde, einen Solar-Flachkollektor zu schaffen, mit dem im primären Kreislauf der Wärmeträgerflüssigkeit eine Umwälzpumpe überflüssig wird, wodurch die Herstellungskosten und der Herstellungsaufwand verringert werden sowie beim Betrieb des Solar-Flachkollektors Energie gespart wird und somit der Gesamtwirkungsgrad des Solar-Flachkollektors gegenüber dem Stand der Technik verbessert werden soll.
Lösung der Aufgabe:

A1 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Solar-Flachkollektor mit wenigstens einer Absorberfläche, einer transparenten Abdeckung, sowie mit wenigstens einem Wärmeträgerrohr, welches eine Wärmeträgerflüssigkeit enthält, wobei Sonnenstrahlung imstande ist, die Abdeckung zu durchdringen und danach auf die Absorberfläche zu gelangen und diesen zu erwärmen, und das Wärmeträgerrohr an der die Absorberfläche angeordnet ist und mit diesem in thermischem und mechanischem Kontakt steht, so dass eine Erwärmung der Absorberfläche durch Sonnenstrahlung auf Grund von Wärmeleitung zu einer Erwärmung des Wärmeträgerrohres und somit auch zu einer Erwärmung der darin befindlichen Wärmeträgerflüssigkeit führt, wobei das Wärmeträgerrohr ein Wärmerohr, nämlich ein Heatpipe oder ein Zwei-Phasen-Thermosiphon, ist.
A2 Bevorzugt weist der Solar-Flachkollektor eine Wärmedämmung auf, die den Abfluss von Verlustwärme nach außerhalb des Solar-Flachkollektors vermindert.

Wärmerohre, nämlich Heatpipes und Zwei-Phasen-Thermosiphone, sind rohrförmige, geschlossene Wärmeüberträger, die unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Wärmeträgermediums, z. B. Wasser, welches in dem Heatpipe bzw. Zwei-Phasen-Thermosiphon eingeschlossen ist und darin teils in gasförmiger, teils in flüssiger Phase vorliegt, eine besonders hohe Wärmestromdichte und somit einen besonders effektiven Wärmetransport erlauben. Bei gleicher Wärmetransportleistung und gleichen Einsatzbedingungen sind Heatpipes und Zwei-Phasen-Thermosiphone wesentlich leichter als herkömmliche Wärmetauscher. Heatpipes und Zwei-Phasen-Thermosiphone werden auch zusammenfassend als ”Wärmerohre” bezeichnet. Das Wärmerohr weist an seinem einen Ende einen Kondensator auf. Das Rohr, in welchem sich das Wärmeträgermedium befindet, mündet in den Kondensator. Der außerhalb des Kondensators befindliche Teil des Rohres wird als Verdampferzone bezeichnet. Durch Aufnehmen von Wärme in der Verdampferzone beginnt die flüssige Phase des Wärmeträgermediums zu verdampfen, die Wärme wird als latente Energie gespeichert. Durch den neu entstandenen Dampf entsteht ein Gradient des Dampfdrucks, wodurch dieser Dampf in Richtung Kondensator strömt. Dort wird die aufgenommene Wärme über eine Phasenumwandlung Dampf-Flüssigkeit (Freisetzung latenter Wärme) wieder abgegeben. Die so durch Kondensation entstandene Flüssigkeit kehrt beim Zwei-Phasen-Thermosiphon durch Schwerkraft vom Kondensator in die Verdampferzone zurück. Zwei-Phasen-Thermosiphone müssen daher stets ein Gefälle längs des Rohres aufweisen, um arbeiten zu können, d. h. der Kondensator muss höher liegen als die Verdampferzone. Auch eine senkrechte Aufstellung ist möglich, der Neigungswinkel liegt bevorzugt bei 15° bis 90° gegen die Horizontale. Beim Heatpipe kehrt die Flüssigkeit durch Kapillarkraft in die Verdampferzone zurück; Heatpipes können daher auch waagerecht aufgestellt bzw. montiert werden.
Die Innenseite der Wandung des Heatpipe-Rohres kann beispielsweise mittels einer Verkleidung oder durch eine spezielle Oberflächenbehandlung so gestaltet sein, dass Kapillaren für den Transport des flüssigen Wärmeträgermediums gebildet sind. Ebenfalls ist bekannt, einen Docht im Innenraum vorzusehen, um eine Kapillarwirkung zu erzeugen.
Auf Grund des effektiven, sehr schnellen Abtransports der Wärme aus der Verdampferzone heraus ist der Wärmeverlust durch Ableitung von Wärme nach außerhalb des Solar-Flachkollektors gering; dies ist ein erheblicher Vorteil des erfindungsgemäßen Solar-Flachkollektors.
Je nach vorgesehener Arbeitstemperatur des Wärmerohres kommen verschiedene Medien als Wärmeträgermedium in Frage, insbesondere Wasser, Öl und verschiedene Chemikalien.
Das Wärmeträgerrohr kann z. B. an die Absorberfläche angeschweißt sein, z. B. mittels Laserschweißung. Gemäß einer anderen Variante ist das Wärmeträgerrohr an die Absorberfläche angepresst. Vorzugsweise ist der mechanische Kontakt bzw. die Anschmiegung zwischen Absorberfläche und Wärmeträgerrohr durch Anreiben verbessert.

A3 Bevorzugt ist zwischen der Absorberfläche und dem Wärmeträgerrohr thermischer und zugleich mechanischer Kontakt durch einen Wärmeleitkleber hergestellt. A4 Bevorzugt fixiert der Wärmeleitkleber zusätzlich das Wärmeträgerrohr an der Absorberfläche.
A5 Die Absorberfläche kann insbesondere durch eine Folie oder Platte, insbesondere Metallfolie oder Metallplatte, gebildet sein, an deren von der Abdeckung abgewandten Seite das Wärmeträgerrohr angeordnet ist.
A6 Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wärmeleitkleber zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Absorberfläche und Wärmeträgerrohr ein solcher, in welchen Partikel, Körner oder Späne aus Metall, insbesondere Kupfer, eingebettet sind. A7 Bevorzugt ist der Wärmeleitkleber ein solcher, welcher im ausgehärteten Zustand hochelastisch ist.
A8 Bevorzugt ist ein Nanogel als Wärme dämmendes Material Teil der Wärmedämmung. Nanogel ist als hochwirksamer Dämmstoff z. B. unter dem Handelsnamen ”Aerogel” in Granulatform erhältlich. Grundbestandteil von ”Areogel” ist amorphe Kieselsäure (Silica). A9 Die Wärmedämmung kann wenigstens eine Matte enthalten oder aufweisen, welche Nanogel enthält.

Ein wesentlicher Vorteil von Nanogel besteht in seiner außerordentlich starken Wärmedämmwirkung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass keine Feuchtigkeitsprobleme auftreten, da Nanogel keine Feuchtigkeit aufnimmt, im Gegensatz zu herkömmlichen Dämmmaterialien.
Nanogel ist ein Wärmedämmmaterial, welches neben einer herausragenden Wärmeisolierung bzw. -dämmung weitere besondere Eigenschaften aufweist, z. B. unverrottbar, setzungssicher und nicht brennbar zu sein, unförmige Hohlräume aufgrund seiner Struktur lückenlos auszufüllen und keine Feuchtigkeit aufzunehmen. Vorteile einer Verwendung von Nanogel als Wärmedämmmaterial ergeben sich durch dessen im Vergleich zu beispielsweise Mineralwolle fünffach höhere Wärmedämmeigenschaft. Darüber hinaus ist Nanogel im Vergleich zu anderen Wärmedämmmaterialien ökologisch unbedenklich.

A10 Gemäß einer vorteilhaften Variante der Erfindung weicht der Querschnitt des Wärmeträgerrohrs von der Kreisform ab und weist die Form eines Dreiecks oder eines Dreiecks mit wenigstens einer abgerundeten Ecke oder eines Dreiecks mit wenigstens einer nach außen gebogenen Seite oder eines Dreiecks mit wenigstens einer nach außen gebogenen Seite und wenigstens einer abgerundeten Ecke auf, wobei eine Seite des Dreiecks der Absorberfläche zugewandt und parallel zu dieser ausgerichtet ist und die dieser Seite gegenüberliegende Ecke des Dreiecks von der Absorberfläche abgewandt ist.
A11 Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung weicht der Querschnitt des Wärmeträgerrohrs von der Kreisform ab und weist die Form eines Rechtecks oder Quadrates oder eines Rechtecks oder Quadrates mit wenigstens einer abgerundeten Ecke oder eines Rechtecks oder Quadrates mit wenigstens einer nach außen gebogenen Seite oder eines Rechtecks oder Quadrates mit wenigstens einer nach außen gebogenen Seite und wenigstens einer abgerundeten Ecke auf, wobei eine Seite des Rechtecks oder Quadrates der Absorberfläche zugewandt und parallel zu dieser ausgerichtet ist, und die dieser Seite gegen überliegende Seite des Rechtecks oder Quadrates von der Absorberfläche abgewandt ist.
A12 Bevorzugt weist das Wärmerohr in einem seiner Endbereiche einen Kondensator auf, welcher sich in einem von einer Nutzwärmeflüssigkeit durchströmten Wärmetauscher befindet, wobei der Kondensator ohne zwischengeschaltetes festes Material in direktem Kontakt mit der Nutzwärmeflüssigkeit steht und Wärme an diese abgibt, und die Nutzwärmeflüssigkeit diese Wärme nach außerhalb des Solar-Flachkollektors transportiert.

Der erfindungsgemäße Flachkollektor ist ein neuartiger Solarkollektor mit Heat-Pipe-Röhrensystem oder mit Zwei-Phasen-Thermosiphon-Röhrensystem. Konventionelle Flachkollektoren werden mit einer Hydraulik im Harfensystem oder mit mäanderförmigen Rohrführungen hergestellt. Ein erfindungsgemäßer Flachkollektor mit Heat-Pipes funktioniert ähnlich einem Heat-Pipe-Vakuumröhrenkollektor, jedoch ohne die Notwendigkeit einer Vakuumröhre und eines Reflektors.
Die Absorberfläche, welche vorzugsweise eine selektive Absorberfläche aus BlueTec ist, überträgt die durch Absorption von Sonnenstrahlung entstehende Wärme direkt auf das Wärmerohr bzw. die Wärmerohre, welche als Heat-Pipes oder als Zwei-Phasen-Thermosiphone ausgebildet sind und vorzugsweise aus Kupfer bestehen. Beispielsweise können 16 Wärmerohre pro erfindungsgemäßem Solar-Flachkollektor vorgesehen sein. An jedem Wärmerohr ist ein Kondensator angeordnet, welcher bevorzugt in einem Wärmetauscher bzw. einem Sammelrohr angeordnet, z. B. dort eingelötet ist.
Der Wärmetauscher wird von Nutzwärmewasser (oder einer anderen Nutzwärmeflüssigkeit) durchströmt, welches sich, umgewälzt durch eine Pumpe, in einem Sekundarkreislauf befindet und den Kondensatoren Wärme entzieht und diese nach außerhalb des Flachkollektors zu einem Verbraucher oder Speicher transportiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Hülsen weggelassen, so dass die Kondensatoren direkt, ohne zwischengeschaltetes Material, dem Nutzwärmewasserstrom ausgesetzt sind. Somit wird die Wärme mit verringertem Wärmewiderstand, d. h. höherer Effektivität, vom Kondensator direkt an die Wärmeträgerflüssigkeit bzw. an das Nutzwärmewasser übertragen und von diesem z. B. einem Solarspeicher zugeführt.
Wegen des Fehlens einer Hülse um den Kondensator ist der Strömungswiderstand, welchen das Nutzwärmewasser beim Durchströmen des Wärmetauschers zu überwinden hat, verringert, d. h. der Druckverlust des Nutzwärmewassers beim Durchströmen des Wärmetauschers nimmt ab. Daher kann die Nutzwärmewasser-Förderleistung verringert werden, was Energie spart und den Gesamtwirkungsgrad des erfindungsgemäßen Flachkollektors erhöht.
Die Wärmeübertragung von der Absorberfläche auf das Wärmerohr erfolgt vorzugsweise über einen Industrie-Hochleistungs-Wärmeleitkleber, vorzugsweise vermischt mit Kupferspänen, die eine Wärmeübertragung forcieren und auch die Verbindung stabilisieren. Hierdurch werden teure Laserschweißungen überflüssig. Der Wärmeleitkleber ist bevorzugt elastisch und fängt in diesem Fall alle Dehnungen bis zu einem gewissen Grad auf. Ein Einreißen der Schweißnähte, welche bei herkömmlichen Flachkollektoren notwendigerweise vorhanden sind, entfällt daher bei einem erfindungsgemäßen Flachkollektor, und die Vollflächenabsorber behalten bei einem erfindungsgemäßen Flachkollektor in glattes Aussehen.
Durch den Wärmeleitkleber kann die Übertragungsfläche beliebig vergrößert werden, was für einen höheren Wirkungsgrad sorgt.
Der erfindungsgemäße Flachkollektor weist eine gegenüber herkömmlichen Flachkollektoren bei gleichen Abmessungen eine weitaus erhöhte Leistung auf und arbeitet ohne hohe Druckverluste des Nutzwärmewassers, wenn die Kondensatoren vom Nutzwärmewasser direkt umströmt werden, da der Strömungswiderstand des Nutzwärmewassers im Wärmetauscher reduziert ist.
Die rückseitige Isolierung bzw. Wärmedämmung des erfindungsgemäßen Flachkollektors kann aus Nanogel-Matten bestehen, die eine weitaus höhere Dämmwirkung haben als z. B. Mineralwolle. Dadurch kann die Stärke der Isolierung bzw. Wärmedämmung stark gemindert werden und die Bauhöhe des erfindungsgemäßen Flachkollektors verringert werden, z. B. auf eine Bauhöhe von 60 Millimetern. Da durch die erfindungsgemäße Konstruktion mit wenigstens einem Wärmerohr die rückseitigen Wärmeverluste verringert sind, ist die Wärmedämmung nicht von solcher Bedeutung wie bei herkömmlichen Flachkollektoren. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass keine Feuchtigkeitsprobleme auftreten, da Nanogel keine Feuchtigkeit aufnimmt, im Gegensatz zu herkömmlichen Dämmmaterialien.
Der erfindungsgemäße Solar-Flachkollektor ist somit vorzugsweise mit einer speziellen Nanogel-Wärmedämmung versehen. Hierdurch kann auf ein spezielles Frostschutzmittel bei starker Frost verzichtet werden, da die Nutzwärmeflüssigkeit und die Wärmeträgerflüssigkeit auf Grund der höchst wirksamen Wärmedämmung nicht ohne weiteres unter ihren Gefrierpunkt abkühlen können. Die Verzichtbarkeit von Frostschutzmitteln bzw. Thermoölen spart Arbeitsaufwand, Kosten und Umweltbelastung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform unterscheidet sich der erfindungsgemäße Flachkollektor vom Stand der Technik wie folgt:

1. Konstruktion mit wenigstens einem Wärmerohr (Heat-Pipe oder Zwei-Phasen-Thermosiphon),
2. Wärmeübertragung unterstützt durch industriellen Wärmeleitkleber,
3. innenliegender und direkt umströmter Kondensator, d. h. der Kondensator befindet sich im Inneren des Wärmetauschers und ist nicht von einer Hülse umgeben, so dass er in direktem Kontakt mit dem Nutzwärmewasser steht,
4. Dämmung mit Nanogel-Matten (keine Feuchtigkeit in den Kollektoren).

Die Wärmeübertragung erfolgt bei einem erfindungsgemäßen Flachkollektor über die Absorberfläche bzw. das Absorberblech. Die Absorberfläche bzw. das Absorberblech ist mit dem Wärmerohr bzw. den Wärmerohren vorzugsweise rückseitig verbunden. Das Wärmerohr überträgt die Wärme durch Verdampfung in den Kondensator, der diese im Verteiler bzw. im Wärmetauscher an die Wärmeträgerflüssigkeit des Solarkreislaufs bzw. eines Sekundärkreislaufs (z. B. an das Nutzwärmewasser des Nutzwärmewasserkreislaufs) übertragt.
Die Wärmeübertragung herkömmlicher Kollektoren erfolgt über lasergeschweisste oder gepresste Verbindungen mit rückseitig verlaufenden Kupfer- oder Aluminiumrohren. Die Wärmeübertragung bei einem erfindungsgemäßen Flachkollektor wird bevorzugt durch einen speziellen hochtemperaturbeständigen Wärmeleitkleber bis 1000°C und Metallspänen ausgeführt bzw. unterstützt.
Die Dämmung des erfindungsgemäßen Flachkollektors enthält vorzugsweise Nanogel-Matten oder besteht aus solchen Matten, z. B. mit 10 mm Stärke (Produkt der NASA), wodurch Wärmeverluste minimiert werden. Die Nanogel-Dämmung ist unverrottbar und nimmt keine Feuchtigkeit auf. Dadurch kann die Bauhöhe des erfindungsgemäßen Flachkollektors minimiert werden. Die Nanogel-Matten sind vorzugsweise nach vorn bzw. zum Inneren des Flachkollektors hin z. B. mit Aluminiumfolie abgedichtet, um eine eventuelle Ausgasung zu verhindern.
Kurzbeschreibung der Zeichnung, in welcher beispielhaft und schematisch zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Solar-Flachkollektors,
2 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Solar-Flachkollektors
3 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Solar-Flachkollektors,
4 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Solar-Flachkollektors,
5 eine Draufsicht auf den Flachkollektor von 4 mit gestrichelt dargestellten Rohren und Kondensatoren, weil sie von der Absorberfläche und dem Wärmetauscher des Solar-Flachkollektors verdeckt sind,
6 einen Endbereich eines der Wärmerohre eines erfindungsgemäßen Solar-Flachkollektors, mit einem Kondensator, wobei das Wärmerohr hier ein Zwei-Phase-Thermosiphon ist, welcher z. B. in dem Solar-Flachkollektor der 4 und 5 zum Einsatz kommen kann,
7 eine Querschnitts-Detailansicht durch eines der Wärmerohre des Solar-Flachkollektors der 4 und 5, welches mittels Wärmeleitkleber an der Absorberfläche fixiert ist, und
8 eine Draufsicht auf die Wärmerohre und den Wärmetauscher des Solar-Flachkollektors der 4 und 5.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Solar-Flachkollektor FK mit einer ebenen Absorberfläche A, einer transparenten Abdeckung G, welche hier durch eine Glasplatte G gebildet ist, drei Wärmeträgerrohren R, welche jeweils ein Wärmeträgermedium F, V enthalten, z. B. Wasser in flüssigem Zustand F und in dampfförmigem Zustand V, sowie mit einer Wärmedämmung D. Die Glasplatte G und die Wärmedämmung D umschließen einen mit Luft gefüllten Hohlraum H, an dessen von der Glasplatte G abgewandten Begrenzungsfläche die Absorberfläche A angeordnet ist. Auf den Solar-Flachkollektor FK einfallende Sonnenstrahlung S ist imstande, die Glasplatte G zu durchdringen und nach Durchquerung des Hohlraumes H auf die Absorberfläche A zu gelangen. Die auf die Absorberfläche gelangende Sonnenstrahlung wird dort großteils absorbiert, so dass sich die Absorberfläche erwärmt.
Die Wärmeträgerrohre R sind erfindungsgemäß Wärmerohre, d. h. Heatpipes oder Zwei-Phasen-Thermosiphone. Sie sind an der Unterseite der Absorberfläche A mechanisch fixiert und stehen mit dieser sowohl in thermischem als auch mechanischem Kontakt.
Daher führt eine Erwärmung der Absorberfläche A durch Absorption von Sonnenstrahlung S auf Grund von Wärmeleitung zu einer Erwärmung der Wärmeträgerrohre R und somit auch zu einer Erwärmung des darin befindlichen Wärmeträgermediums F, wobei die Wärmedämmung D den Abfluss von Verlustwärme nach außerhalb des Solar-Flachkollektors K wesentlich vermindert.
Die Verdampfung von Wärmeträgermedium F, der Transport latenter Wärme zu den in 1 nicht dargestellten Kondensatoren und die dortige Freisetzung der latenten Wärme durch Kondensation wurde bereits oben Seite 3 Zeile 22 – Seite 4 Zeile 12 erläutert.
Die Wärmeträgerrohre R sind erfindungsgemäß Heatpipes oder Zwei-Phasen-Thermosiphone, d. h. Wärmerohre R (”Wärmerohr” ist ein Sammelbegriff für Heatpipe und Zwei-Phasen-Thermosiphon). Das Wärmeträgermedium F, V liegt darin zugleich in flüssiger Phase F und in Dampfphase V vor. Zwischen der Absorberfläche A und jedem Wämeträgerrohr R ist thermischer und zugleich mechanischer Kontakt durch einen Wärmeleitkleber WK hergestellt, welcher das Wärmeträgerrohr R an der Absorberfläche A vorzugsweise elastisch fixiert.
Die erfindungsgemäße Fixierung der Wärmeträgerrohre R an der Absorberfläche A mittels des Wärmeleitklebers WK bringt gegenüber einer Fixierung durch Schweißung mehrere erhebliche Vorteile mit sich. Einer dieser Vorteile besteht darin, dass eine Klebung weniger arbeitsaufwändig und damit billiger und viel schneller durchführbar ist als eine Schweißung.
Ein weiterer Vorteil der Klebung ist, dass keine Materialschädigung durch Hitzeeinwirkung beim Schweißen auftritt. Die Möglichkeit des Einreißens der Schweißnähte oder der hitzebedingten vorzeitigen Materialermüdung im Bereich der Schweißnähte entfällt und es besteht keine Gefahr, dass sich die Absorberfläche A durch die Hitzeeinwirkung beim Schweißen verzieht oder uneben wird.
Ein zusätzlicher Vorteil der Klebung besteht darin, dass als Klebstoff ein solcher Wärmeleitkleber verwendet werden kann, welcher hochelastisch ist, so dass ein so hergestellter erfindungsgemäßer, anders als ein geschweißter, Solar-Flachkollektor gegen mechanische Verspannungen und häufige starke Temperaturwechsel weitgehend resistent ist.
Ein nochmals anderer Vorteil der Klebung mit Wärmeleitkleber gegenüber einer Schweißung besteht darin, dass durch Anwendung einer großen Menge von Wärmeleitkleber WK die Wärmeübergangsfläche von der Absorberfläche A zum Wärmeträgerrohr R nahezu beliebig vergrößert werden kann, wodurch der Wärmewiderstand von der Absorberfläche A zum Wärmeträgerrohr R verringert wird. Dies ist bei einer Schweißung nicht ohne weiters möglich.
Die Absorberfläche A ist im vorliegenden Beispiel von 1 durch eine Metallplatte A gebildet, an deren von der Abdeckung G abgewandten Seite (d. h. an der Unterseite der Absorberfläche A) das Wärmeträgerrohr R angeordnet ist.
Bevorzugt ist der Wärmeleitkleber WK ein solcher, in welchen in großer Zahl Partikel, Körner oder Späne aus Metall, insbesondere Kupfer, eingebettet sind. Durch einen solchen Wärmeleitkleber wird der Wärmewiderstand von der Absorberfläche A zum Wärmeträgerrohr R ebenfalls verringert und zugleich die mechanische Zugfestigkeit der Klebung verbessert.
Die Wärmedämmung D verringert Wärmeverluste des Solar-Flachkollektors K und erhöht somit dessen Wirkungsgrad. An den Außenseiten der Wärmedämmung D weist diese zusätzlich eine aufgeklebte Nanogel-Matte N auf, welche eine sehr große wärmedämmende Wirkung besitzt und somit die Wärmeverluste weiter verringert. Die Nanogel-Matte N enthält ein extrem feinkörniges Nanogel-Granulat, wie es z. B. unter dem Handelsnamen ”Aerogel” im Handel ist. Grundbestandteil von ”Aerogel” ist amorphe Kieselsäure (Silica).
Zwei-Phasen-Thermosiphone werden, anders als Heatpipes, immer mit solchem Längsgefälle montiert, dass der Kondensator höher liegt als die Verdampferzone, da in ihnen ansonsten kein Wärmestrom entsteht. Ein erfindungsgemäßer Solar-Flachkollektor mit Zwei-Phasen-Thermosiphon muss daher stets geneigt oder senkrecht aufgestellt bzw. montiert werden. Dies gilt nicht für einen erfindungsgemäßen Solar-Flachkollektor mit Heatpipe.
2 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Solar-Flachkollektors FK', in welcher die in 1 dargestellten Rohre R mit kreisförmigem Querschnitt durch Rohre R' mit dreieckigem Querschnitt ersetzt sind, wobei die Ecken der Dreiecke abgerundet sind. Eine Seite der Dreiecke ist jeweils der Absorberfläche A zugewandt und parallel zu dieser ausgerichtet. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist der gegenüber dem Solar-Flachkollektor FK von 1 deutlich geringere Wärmewiderstand zwischen Rohr R' und Absorberfläche A.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Solar-Flachkollektors, wobei einige Komponenten desselben nur teilweise dargestellt sind, um den Blick auf darunter liegende Komponenten freizugeben.
4 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Solar-Flachkollektors FK'', mit einer Glasplatte G'', einer Absorberplatte A'', und mit einem dazwischen befindlichen Hohlraum H''. Im vorliegenden Beispiel weist der Solar-Flachkollektor FK'' elf Wärmerohre R'', also Heatpipes oder Zwei-Phasen-Thermosiphone, auf, welche alle mittels Wärmeleitkleber WK an der Unterseite der Absorberplatte A'' fixiert sind und auf einer Wärmedämmung D'' aufliegen. Diese weist die Form einer rechteckigen Schüssel auf, in welcher die Absorberplatte A'' und die Wärmerohre R'' aufgenommen sind.
5 zeigt eine Draufsicht auf den Solar-Flachkollektor FK'' von 4, mit Wärmerohren R'' und Kondensatoren K, welche gestrichelt dargestellt sind, weil sie von einer Absorberfläche A'' und einem Wärmetauscher WT verdeckt sind. Der Wärmetauscher WT wird von nicht gezeigtem Nutzwärmewasser durchströmt und weist einen Zulauf ZL zum Einlass des Nutzwärmewassers und einen Ablauf AL zum Auslass des Nutzwärmewassers auf. Das Nutzwärmewasser umströmt beim Durchfließen des Wärmetauschers die Kondensatoren K, entzieht ihnen Nutzwärme, welche sie durch Kondensation von dampfförmigem Wärmeträgermedium V aufgenommen haben, und erwärmt sich dabei. Vom Auslass AL wird das Nutzwärmewasser zu einem nicht gezeigten Wärme-Verbraucher, z. B. Heizkörper, oder zu einem Wärmespeicher gefördert, gibt die im Wärmetauscher WT aufgenommene Nutzwärme dort wieder ab und wird erneut zum Zulauf ZL gefördert, d. h. das Nutzwärmewasser befindet sich in einem Kreislauf, welcher in 5 nicht gezeigt ist.
6 zeigt einen Endbereich des Rohres R''' eines Zwei-Phasen-Thermosiphons R''', K'''', welcher an seinem einen Ende einen Kondensator K''' aufweist und in dem Solar-Flachkollektor der 4 und 5 zum Einsatz kommen kann. Der Zwei-Phasen-Thermosiphon R''', K''' ist gegen die Waagerechte W geneigt oder senkrecht angeordnet; dies ist eine zwingende Voraussetzung für seine Funktionsfähigkeit.
7 zeigt eine gegenüber den 4 und 5 vergrößerte Querschnitts-Detailansicht durch eines der Rohre R'' des Solar-Flachkollektors K'' der 4 und 5. Das Rohr R'' ist Teil eines Wärmerohres und mittels Wärmeleitkleber WK an der Unterseite der Absorberfläche A'' fixiert, dass durch den Wärmeleitkleber WK ein möglichst guter Wärmeübergang von der Absorberfläche A'' zum Rohr R'' gegeben ist. Um dies zu erreichen, bedeckt der Wärmeleitkleber WK eine große Fläche an der Unterseite der Absorberfläche A'' und eine große Fläche an der Außenseite des Rohres R''.
8 zeigt eine Draufsicht auf die Rohre R'' und den Wärmetauscher WT des Solar-Flachkollektors FK'' der 4 und 5. Die Kondensatoren K (5) befinden sich im Inneren des Wärmetauschers WT und sind in 8 nicht dargestellt.
Gewerbliche Anwendbarkeit:
Die Erfindung ist gewerblich anwendbar insbesondere im Bereich der Technik der erneuerbaren Energien und in der Haustechnik.
Liste der Bezugszeichen:

A, A''

Absorberfläche

D, D''

Wärmedämmung

G, G''

Abdeckung, Glasplatte

F

Wärmeträgerflüssigkeit

H, H''

Hohlraum

FK, FK', FK''

Solar-Flachkollektor

K

Kondensator

N

Nanogel-Matte

R, R' R''

Wärmeträgerrohr

S

Sonnenstrahlung

V

Dampf

W

Waagerechte

WK

Wärmeleitkleber

WT

Wärmetauscher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 202007008053 U1 [0003]
- DE 102007062264 A1 [0003]
- DE 20216297 U1 [0004]

Claims

Solar-Flachkollektor (FK, FK', FK'') mit wenigstens einer Absorberfläche (A), einer transparenten Abdeckung (G, G''), sowie mit wenigstens einem Wärmeträgerrohr (R, R', R''), welches eine Wärmeträgerflüssigkeit (F) enthält, wobei – Sonnenstrahlung (S) imstande ist, die Abdeckung (G, G'') zu durchdringen und danach auf die Absorberfläche (A, A', A'') zu gelangen und diesen zu erwärmen, und – das Wärmeträgerrohr (R, R', R'') an der die Absorberfläche (A, A', A'') angeordnet ist und mit diesem in thermischem und mechanischem Kontakt steht, so dass eine Erwärmung der Absorberfläche (A, A', A'') durch Sonnenstrahlung (S) auf Grund von Wärmeleitung zu einer Erwärmung des Wärmeträgerrohres (R, R', R'') und somit auch zu einer Erwärmung der darin befindlichen Wärmeträgerflüssigkeit (F) führt. dadurch gekennzeichnet, dass das/die Wärmeträgerrohr/e (R, R', R'') ein Wärmerohr (R, R', R''), nämlich ein Heatpipe oder ein Zwei-Phasen-Thermosiphon, ist.
Solar-Flachkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Solar-Flachkollektor (FK, FK', FK'') eine Wärmedämmung (D, D'') aufweist, welche den Abfluss von Verlustwärme nach außerhalb des Solar-Flachkollektors (FK, FK', FK'') vermindert.
Solar-Flachkollektor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Absorberfläche (A, A', A'') und dem Wämeträgerrohr (R, R', R'') thermischer und zugleich mechanischer Kontakt durch einen Wärmeleitkleber (WK) hergestellt ist.
Solar-Flachkollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitkleber (WK) das Wärmeträgerrohr (R, R', R'') an der Absorberfläche (A, A', A'') fixiert.
Solar-Flachkollektor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberfläche (A, A', A'') durch eine Folie oder Platte, insbesondere Metallfolie oder Metallplatte (A, A', A''), gebildet ist, an deren von der Abdeckung (G, G'') abgewandten Seite das Wärmeträgerrohr (R, R', R'') angeordnet ist.
Solar-Flachkollektor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitkleber (WK) zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Absorberfläche (A, A', A'') und Wärmeträgerrohr (R, R', R'') ein solcher ist, in welchen Partikel, Körner oder Späne aus Metall, insbesondere Kupfer, eingebettet sind.
Solar-Flachkollektor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitkleber (WK) ein solcher ist, welcher im ausgehärteten Zustand hochelastisch ist.
Solar-Flachkollektor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nanogel als wärmedämmendes Material Teil der Wärmedämmung (D, D'') ist.
Solar-Flachkollektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmung (D, D'') wenigstens eine Matte (N) enthält oder aufweist, welche Nanogel enthält.
Solar-Flachkollektor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Wärmeträgerrohrs (R') von der Kreisform abweicht und die Form – eines Dreiecks – oder eines Dreiecks mit wenigstens einer abgerundeten Ecke – oder eines Dreiecks mit wenigstens einer nach außen gebogenen Seite – oder eines Dreiecks mit wenigstens einer nach außen gebogenen Seite und wenigstens einer abgerundeten Ecke aufweist, wobei eine Seite des Dreiecks der Absorberfläche (A) zugewandt und parallel zu dieser ausgerichtet ist und die dieser Seite gegenüberliegende Ecke des Dreiecks von der Absorberfläche (A) abgewandt ist.
Solar-Flachkollektor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Wärmeträgerrohrs von der Kreisform abweicht und die Form – eines Rechtecks oder Quadrates – oder eines Rechtecks oder Quadrates mit wenigstens einer abgerundeten Ecke – oder eines Rechtecks oder Quadrates mit wenigstens einer nach außen gebogenen Seite – oder eines Rechtecks oder Quadrates mit wenigstens einer nach außen gebogenen Seite und wenigstens einer abgerundeten Ecke aufweist, wobei eine Seite des Rechtecks oder Quadrates der Absorberfläche (A) zugewandt ist und parallel zu dieser ausgerichtet ist.
Solar-Flachkollektor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (R, R, R'') in einem seiner Endbereiche einen Kondensator (K) aufweist, welcher sich in einem von einer Nutzwärmeflüssigkeit durchströmten Wärmetauscher (WT) befindet, wobei der Kondensator (K) ohne zwischengeschaltetes festes Material in direktem Kontakt mit der Nutzwärmeflüssigkeit steht und Wärme an diese abgibt, und die Nutzwärmeflüssigkeit diese Wärme nach außerhalb des Solar-Flachkollektors (FK, FK', FK'') transportiert.