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Die
Erfindung betrifft einen solarthermischen Absorber gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Solarthermische
Absorber sind allgemein bekannt. Sie weisen üblicherweise eine Absorberplatte
auf, die Energie in Form von Sonnenstrahlung aufnimmt, in Wärme umwandelt,
und diese an ein Wärmeträgermedium
(Solarfluid), das mit der Absorberplatte in wärmeleitendem Kontakt steht,
abgibt.
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Im
Stand der Technik sind verschiedene Ausführungsformen solcher solarthermischen
Absorber beschrieben. Der Absorber bildet zusammen mit einer Wärmedämmung (auf
der der Sonne abgewandten Seite des Absorbers), einer transparenten
Abdeckung (auf der der Sonne zugewandten Seite des Absorbers) und
einem die vorgenannten Bauteile umfassenden Gehäuse den solarthermischen Kollektor. Häufig wird
die Absorberplatte von einem speziell beschichteten Kupferblech
gebildet, auf dessen der Sonne abgewandten Seite ein Rohrleitungssystem (Wärmeleitvorrichtung)
zur Führung
eines die Absorberplatte kühlenden
Solarfluids (Wärmeträgermedium)
angeordnet ist. Das Rohrleitungssystem kann mehrere parallel durchflossene,
geradlinige Rohrleitungen in harfenähnlicher Anordnung oder auch
eine oder zwei parallel durchflossene, mäanderförmige Rohrleitungen umfassen.
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Die
Rohrleitungen sind in der Regel stoffschlüssig mit der Absorberplatte
verbunden, wobei der Stoffschluss durch Löten oder Schweißen hergestellt
wird. Die Wärme,
die von der Absorberplatte in die solarfluidführende Rohrleitung übertritt,
muss durch diese Verbindung fließen. Für eine effiziente Kühlung der
Absorberplatte und eine große
Ausbeute an Solarenergie wird eine große Verbindungslänge benötigt.
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Beim
Schweißen
wird in aller Regel das Werkstück
(hier der Absorber und das Rohrleitungssystem) eingespannt, während ein
Schweißkopf über das
Werkstück
geführt
wird und dabei die verbindende Schweißnaht erstellt. Größere Stückzahlen
können
aus Kosten-, Zeit- und Qualitätsgründen nicht mehr
von Hand geschweißt
werden, hierfür
werden Schweißanlagen
oder Schweißroboter
verwendet, wobei die Roboter in der Anschaffung sehr teuer sind.
Einfache Schweißanlagen
sind günstiger,
haben aber oft den Nachteil, nur eine Vorschubrichtung für den Schweißkopf realisieren
zu können,
sie können
also nicht „um
die Ecke” schweißen. Bei
heute bekannten mäanderförmigen Rohrleitungssystemen mit
Quer-, Bogen- und Längsabschnitten
können dann
aber nur die Quer- oder nur die Längsabschnitte geschweißt werden,
es besteht daher der Nachteil, dass die Verbindungslänge zwischen
Absorberplatte und Rohrleitungssystem relativ kurz und der Wärmeeintrag
in das Solarfluid daher nicht sehr effizient ist. Des Weiteren befinden
sich aus Gründen
der räumlichen
Anordnung der verschiedenen Rohrabschnitte Teile der Mäanderrohre
oft in unterschiedlichen Ebenen, also nicht immer in Kontakt mit
der Absorberplatte, so dass nicht die gesamte Rohrlänge mit
der Absorberplatte verschweißt
werden kann.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es diese und weitere Nachteile des
Standes der Technik zu überwinden
und einen solarthermischen Absorber zur Verfügung zu stellen, der eine effiziente
Wärmeleitung
zwischen der Absorberplatte und dem Wärmeträgermedium ermöglicht und
der gleichzeitig ohne großen
Aufwand kostengünstig
herstellbar ist.
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Hauptmerkmale
der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben.
Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 7.
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Bei
einem solarthermischen Absorber mit einer Absorberplatte zum Absorbieren
von Energie und einer auf der Absorberplatte angeordneten Wärmeleitvorrichtung
zur Aufnahme eines Wärmeträgermediums,
welche zwei parallel durchströmbare,
mäanderförmige Rohre
aufweist, deren jeweils mindestens zwei Mäanderschlingen wechselweise
ineinander eingreifen, sieht die Erfindung vor, dass die Mäanderschlingen
im Wesentlichen als einseitig offene Rechtecke mit kurzen und langen
Rohrabschnitten ausgebildet sind, und dass die langen Rohrabschnitte durch
Stoffschluss wärmeleitend
und die kurzen Rohrabschnitte durch linienförmige oder flächige Berührung zumindest
teilweise wärmeleitend
mit der Absorberplatte verbunden sind.
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Die
beiden mäanderförmigen Rohre
nehmen das Wärmeträgermedium
auf und übertragen
die Wärme
so von der Absorberplatte auf das Wärmeträgermedium. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht
vor, dass die beiden Rohre lange und kurze Rohrabschnitte aufweisen,
wobei die langen Rohrabschnitte durch Stoffschluss wärmeleitend
mit der Absorberplatte verbunden sind. Mit Hilfe dieser langen, stoffschlüssig angebundenen
Rohrabschnitte kann eine besonders effiziente Wärmeübertragung zwischen Absorberplatte
und der Wärmeleitvorrichtung zur
Verfügung
gestellt werden.
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Durch
die jeweils mindestens zwei Mäanderschlingen
der beiden Rohre, die wechselweise ineinander eingreifen, wird eine
platzsparende, verschachtelte Anordnung der Rohre auf der Absorberplatte
bewirkt. Durch die erfindungsgemäße Anordnung
der Rohre können
daher verhältnismäßig lange Rohre
eingesetzt werden, so dass eine besonders große Kontaktfläche zwischen
den Rohren und der Absorberplatte zur Übertragung der Wärme zur
Verfügung
gestellt werden kann.
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Die
Tatsache, dass jedes der beiden Rohre dabei nur einen Teil der insgesamt
vorhandenen Kontaktfläche
zwischen der Wärmeleitvorrichtung
und der Absorberplatte aufbringt, ermöglicht zudem, dass die einzelnen
Rohre einfach ausgebildet werden können. Dies ist fertigungstechnisch
günstig
und wirkt sich daher positiv auf die Herstellkosten aus.
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Die
große
Kontaktfläche,
die durch die erfindungsgemäße Anordnung
der Rohre insbesondere über
die langen Rohrabschnitte erreicht wird, schafft zudem eine wichtige
Vorrausetzung dafür,
dass bei den kurzen Rohrabschnitten auf eine durch Stoffschluss
gebildete wärmeleitende
Anbindung verzichtet werden kann, ohne dass die Wärmeübertragungsleistung
der Wärmeleitvorrichtung
wesentlich verringert wird. Die kurzen Rohrabschnitte sind stattdessen
erfindungsgemäß durch
linienförmige
oder flächige
Berührung
zumindest teilweise wärmeleitend mit
der Absorberplatte verbunden. Dabei bilden die langen Rohrabschnitte
ein starres Gerüst
der Wärmeleitvorrichtung,
mit dem die kurzen Rohrabschnitte verbunden und zugleich so kurz
ausgebildet sind, dass sichergestellt werden kann, dass sie sich
auch bei thermischer Ausdehnung nicht von der Absorberplatte lösen, sondern
diese weiterhin berühren.
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Somit
kann die wärmeleitende
Verbindung zwischen der Absorberplatte und der Wärmeleitvorrichtung durch die
erfindungsgemäße Ausgestaltung mit
einfachen Mitteln optimiert werden. Dies ist von großem Vorteil,
da somit ein solarthermischer Absorber zur Verfügung gestellt werden kann,
der z. B. durch automatisiertes, eindimensionales Schweißen äußerst kostengünstig herstellbar
ist.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
sind die Abmessungen der Rohre identisch. Dies ist besonders vorteilhaft,
da die Rohre somit ausgehend von nur einem Bauteil zur Verfügung gestellt
werden können.
Auf diese Weise können
die Lagerkosten bei der Herstellung des solarthermischen Absorbers
reduziert werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
sieht vor, dass die Rohre in einer Ebene angeordnet sind. Auf diese
Weise kann besonders einfach erreicht werden, dass beide Rohre über die
gesamte Rohränge mit
der Absorberplatte zumindest teilweise in wärmeleitendem Kontakt stehen.
Somit kann in vorteilhafter Weise sichergestellt werden, dass die
Rohre vollständig
zur Wärmeübertragung
genutzt werden.
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Eine
weitere wichtige Ausführungsform
sieht vor, dass die langen Rohrabschnitte der Rohre wenigstens doppelt
so lang sind wie die kurzen Rohrabschnitte. Durch diese Ausgestaltung
wird erreicht, dass der Hauptteil jedes Rohrs stoffschlüssig mit
der Absorberplatte verbunden ist. Somit ist eine effiziente Wärmeübertragung
zwischen der Absorberplatte und der Wärmeleitvorrichtung sichergestellt.
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Eine
wichtige Weiterbildung der Erfindung sieht zudem vor, dass jedes
Rohr (jede Mäanderschlinge)
wenigstens zwei kurze Rohrabschnitte unterschiedlicher Länge aufweist.
Diese Ausgestaltung vereinfacht die verschachtelte Anordnung der
beiden parallel durchströmbaren
Rohre, die durch das wechselseitige ineinander greifenden der Mäanderschlingen
erreicht wird und trägt
somit dazu bei, dass die Fläche
der Absorberplatte optimal zur Wärmeübertragung
genutzt wird. Vorzugsweise ist der längere der beiden kurzen Rohrabschnitte
dreimal so lang wie der kürzere
der beiden kurzen Rohrabschnitte.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die langen Rohrabschnitte und die kurzen Rohrabschnitte
jedes Rohres über
Rohrbögen
miteinander verbunden. Über
die Ausgestaltung der Rohrbögen
kann der Strömungswiderstand
der Rohre und die Anordnung der Rohre auf der Absorberplatte beeinflusst
werden. Je runder die Rohrbögen,
desto geringer ist der Strömungswiderstand.
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Vorteilhaft
bei der Verwendung von eher eckig ausgebildeten Rohrbögen ist
jedoch, dass in diesen Fall nahezu die gesamte Fläche der
Absorberplatte bis hin zu den äußeren Kanten
zur Wärmeübertragung
genutzt werden kann. Somit kann durch eine eckige Ausgestaltung
der Rohrbögen
eine Längenmaximierung
der langen Rohrabschnitte bewirkt und damit der Wirkungsgrad des
solarthermischen Absorbers vorteilhaft beeinflusst werden.
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Es
ist zudem bevorzugt vorgesehen, dass die Rohre zueinander beabstandet
sind und sich beide gleichmäßig über die
Fläche
der Absorberplatte erstrecken. Mit Hilfe dieser Ausgestaltung kann
eine gleichmäßige Kühlung der
Absorberplattenfläche
gewährleistet werden.
Dies trägt
ebenfalls dazu bei, dass der Wirkungsgrad des solarthermischen Absorbers
vorteilhaft beeinflusst werden kann.
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Weitere
Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
dem Wortlaut der Ansprüche
sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnungen.
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Es
zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen solarthermischen
Absorber, und
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2 ein
Rohr einer erfindungsgemäßen Wärmeleitvorrichtung.
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1 zeigt
einen allgemein mit 10 bezeichneten erfindungsgemäßen solarthermischen
Absorber. Der solarthermische Absorber 10 verfügt über eine
Absorberplatte 11. Auf der Absorberplatte 11 ist eine
Wärmeleitvorrichtung 20 des
solarthermischen Absorbers 10 angeordnet.
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Die
Wärmeleitvorrichtung 20 verfügt über zwei
mäanderförmige Rohre 21, 22.
In der dargestellten Ausführungsform
weisen die beiden Rohre 21, 22 mehrere Mäanderschlingen 26 auf,
die wechselweise ineinander eingreifen. Die Mäanderschlingen 26 sind dabei
im Wesentlichen als einseitig offene Rechtecke mit langen Rohrabschnitten 23 und
kurzen Rohrabschnitten 24 ausgebildet, wobei die kurzen
Rohrabschnitte 24 in kürzere
und längere
kurze Rohrabschnitte 24a, 24b untergliedert sind.
Die langen Rohrabschnitte 23 laufen in der dargestellten
Ausführungsform
quer über
annähernd
die ganze Breite der Absorberplatte 11, während die
kurzen Rohrabschnitte 24 längs jeweils über einen
Bruchteil der Länge
der Absorberplatte 11 reichen.
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Die
langen Rohrabschnitte 23 sind durch Stoffschluss wärmeleitend
mit der Absorberplatte 11 verbunden. Dies kann z. B. durch
Verschweißung
erreicht werden. Die stoffschlüssige
Verbindung zwischen den langen Rohrabschnitten 23 und der
Absorberplatte 11 ist dabei so ausgebildet, dass die kurzen Rohrabschnitte 24a, 24b auf
der Absorberplatte 11 aufliegen und daher durch linienförmige oder
flächige Berührung zumindest
teilweise mit der Absorberplatte 11 verbunden sind.
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In
der dargestellten Ausführungsform
ist jedes Rohr 21, 22 der Wärmeleitvorrichtung 20 mit
einer Zuleitung 12 und einer Ableitung 13 verbunden. Durch
die Zuleitung 12 und die Ableitung 13 kann der solarthermische
Absorber 10 an einen Wärmeträgermediumkreislauf
(Solarfluidkreislauf) angeschlossen werden. Die Zuleitung 12 und
die Ableitung 13 kann hierzu Anschlussmittel aufweisen.
Möglich
ist außerdem,
dass mehrere solarthermische Absorber 10 in dem Kreislauf
z. B. durch Reihen- oder Parallelschaltung miteinander verbunden
sind.
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Die
Absorberplatte 11 nimmt Energie in Form von Licht (Sonnenstrahlung)
auf und wandelt diese in Wärme
um. Diese Wärme
wird an ein Wärmeträgermedium,
das die Wärmeleitvorrichtung 20 durchströmt und mit
der Absorberplatte 11 in wärmeleitendem Kontakt steht,
abgegeben. Der wärmeleitende Kontakt
zwischen der Wärmeleitvorrichtung 20 und der
Absorberplatte 11 wird durch die beiden Rohre 21, 22 bewirkt,
die parallel von dem Wärmeträgermedium
durchströmt
werden, und deren kurze und lange Rohrabschnitte 24, 23 durch
Stoffschluss bzw. durch linienförmige
oder flächige
Berührung
mit der Absorberplatte 11 verbunden sind. Das Wärmeträgermedium
wird in der gezeigten Ausführungsform
durch die Zuleitung 12 in die Wärmeleitvorrichtung 20 eingebracht
und von dieser über
die Ableitung 13 abgeleitet.
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In
der dargestellten Ausführungsform
sind die langen Rohrabschnitte 23 horizontal und die kurzen
Rohrabschnitte 24 vertikal ausgebildet. Die Abmessungen
der Rohre 21, 22 sind identisch, sodass die Rohre 21, 22 aus
dem gleichen Bauteil gefertigt werden können.
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Außerdem sind
die langen, horizontalen Rohrabschnitte 23 in der gezeigten
Ausführungsform deutlich
mehr als doppelt so lang, nämlich
in etwa fünfmal
so lang wie die kurzen, vertikalen Rohrabschnitte 24. Durch
diese Ausgestaltung kann mit einfachen Mitteln eine besonders effiziente
Wärmeübertragung
sichergestellt werden, da der wesentliche Anteil jedes Rohrs 21, 22 stoffschlüssig und
damit gut wärmeleitend
mit der Absorberplatte 11 verbunden ist.
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Jedes
mäanderförmige Rohr 21, 22 weist kurze
Abschnitte 24a, 24b unterschiedlicher Länge auf.
Diese Ausgestaltung ermöglicht
eine besonders platzsparende, verschachtelte Anordnung der beiden Rohre 21, 22.
Dabei ist jeweils ein etwas längerer kurzer
Abschnitt 24a des einen Rohres 21, 22,
neben einem etwas kürzeren
kurzen Abschnitt 24b des zweiten Rohres 21, 22 angeordnet.
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In
der dargestellten Ausführungsform
ist die Länge
der langen Rohrabschnitte 23 maximiert, sodass nahezu die
komplette Breite der Absorberplatte 11 für die langen,
horizontalen Rohrabschnitte 23 genutzt werden kann. Durch
diese Ausgestaltung liegen die kurzen, vertikalen Rohrabschnitte 24 der
beiden Rohre 21, 22 an den Stellen, in denen die
Mäanderschlingen
wechselseitig ineinander eingreifen, jeweils ganz dicht beieinander.
In der dargestellten Ausführungsform
sind die langen Rohrabschnitte 23 und die kurzen Rohrabschnitte 24 außerdem durch eckige
Rohrbögen
(Rohrbögen
mit relativ zum Rohrdurchmesser kleinen Krümmungsradien) miteinander verbunden.
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In 2 ist
ein mäanderförmiges Rohr 21, 22 einer
Wärmeleitvorrichtung
eines erfindungsgemäßen solarthermischen
Absorbers dargestellt.
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Das
Rohr 21, 22 weist insgesamt vier Mäanderschlingen 26 auf,
die als einseitig offene Rechtecke ausgebildet sind. Die Kanten
der einseitig offenen Rechtecke der Mäanderschlingen 26 werden von
langen Rohrabschnitten 23 und kurzen Rohrabschnitten 24 gebildet,
wobei die langen Rohrabschnitte 23 und die kurzen Rohrabschnitte 24 des Rohres 21, 22 über Rohrbögen 25 miteinander
verbunden sind.
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Die
Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen
beschränkt,
sondern in vielfältiger
Weise abwandelbar.
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Sämtliche
aus den Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und
deren Vorteile, einschließlich
konstruktiver Einzelheiten und räumlicher
Anordnung können
sowohl für
sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich
sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- solarthermischer
Absorber
- 11
- Absorberplatte
- 12
- Zuleitung
- 13
- Ableitung
- 20
- Wärmeleitvorrichtung
- 21,
22
- mäanderförmiges Rohr
- 23
- langer
Rohrabschnitt
- 24
- kurzer
Rohrabschnitt
- 24a
- etwas
längerer
kurzer Abschnitt
- 24b
- etwas
kürzerer
kurzer Abschnitt
- 25
- Rohrbogen
- 26
- Mäanderschlinge
