DE202011109063U1 - Absorber holder with temperature-independent convection suppression for rear-panel insulated solar collectors - Google Patents
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Abstract
Haltevorrichtung in dem Gehäuse (1) eines Sonnenkollektors mit rückseitiger Foliendämmung (4) zur Befestigung und ortsfesten Stabilisierung eines flächigen Absorbers bzw. des thermisch daran angebundenen Wärmeübertragers (3), dadurch gekennzeichnet, dass sie aus mindestens einer inneren Stütze (6) besteht, d. h. einer Stütze, die nicht am Rand des Absorbers bzw. Wärmeübertragers angeordnet ist.Holding device in the housing (1) of a solar collector with film insulation on the back (4) for fastening and stationary stabilization of a flat absorber or the heat exchanger (3) thermally connected thereto, characterized in that it consists of at least one inner support (6), d , H. a support that is not arranged on the edge of the absorber or heat exchanger.
Description
Problematik, Gegenstand der ErfindungProblem, subject of the invention
Konventionelle flache Sonnenkollektoren (Flachkollektoren) unterscheiden sich in ihrem Aufbau nur unwesentlich. Sie bestehen aus einem Gehäuse, das meist aus Al oder einer Al-Legierung, seit neuestem auch aus Kunststoff, ausgeführt wird, und in dem ein meist selektiv beschichteter, flächiger Absorber parallel zur Gehäuserückwand eingebaut ist. Der Absorber ist mit einer Vorrichtung (gewöhnlich Rohre) zur Wärmeübertragung auf ein Fluid verbunden und wird zur Reduktion der thermischen Verluste üblicherweise vorderseitig durch einen Luftspalt und eine Glasscheibe von der Umgebung abgegrenzt. Auf der Absorberrückseite wird der Sonnenkollektor meist mit einer Wärmedämmung versehen, um die thermischen Verluste gering zu halten. Die rückseitige Wärmedämmung besteht in der Regel aus Mineral- oder Steinwolle, die einen nicht zu vernachlässigenden Kostenfaktor beim Kollektorbau darstellt, schwierig handhabbar ist und ein hohes Gewicht der Kollektoren bedingt. Außerdem hängt die Dämmwirkung solcher Materialien stark von den Umgebungsbedingungen ab. Durch die Aufheiz- und Abkühlvorgänge tagsüber und nachts schwankt der Druck in einem Flachkollektor, sodass dieser mit der Umgebungsluft wechselwirkt und feuchte Luft in das Kollektorinnere gelangen kann. Kondensiert nun der Wasserdampf in der Dämmung – was häufig passiert –, so wird diese durchfeuchtet. Das Wasser, das so in dem Dämmstoff eingelagert wird, reduziert den Kollektorwirkungsgrad stark, da die rückseitigen Wärmeverluste aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit des feuchten Dämmstoffes zunehmen [1, 2, 3]. Außerdem erhöht sich dadurch das Kollektorgewicht. Der verringerte Wirkungsgrad führt zu einer Reduktion des solaren Ertrages und macht einen zusätzlichen Heizaufwand nötig, der gewöhnlich durch den Einsatz fossiler Energieträger gedeckt werden muss.Conventional flat solar panels (flat panels) differ only slightly in their construction. They consist of a housing, which is usually made of Al or an Al alloy, recently also made of plastic, and in which a mostly selectively coated, planar absorber is installed parallel to the rear wall of the housing. The absorber is connected to a device (usually tubes) for heat transfer to a fluid and is usually delimited from the environment by an air gap and a glass plate to reduce thermal losses. On the absorber back of the solar panel is usually provided with a thermal insulation to keep the thermal losses low. The rear thermal insulation is usually made of mineral or rock wool, which represents a not inconsiderable cost factor in the collector, is difficult to handle and requires a high weight of the panels. In addition, the insulating effect of such materials depends strongly on the environmental conditions. Through the heating and cooling processes during the day and at night, the pressure fluctuates in a flat collector, so that it interacts with the ambient air and moist air can get into the interior of the collector. If the water vapor condenses in the insulation - which often happens - it is moistened. The water that is thus stored in the insulating material greatly reduces the collector efficiency, as the heat losses on the back increase due to the higher thermal conductivity of the damp insulation material [1, 2, 3]. In addition, this increases the collector weight. The reduced efficiency leads to a reduction of the solar yield and requires an additional heating effort, which usually has to be covered by the use of fossil fuels.
Gegenstand der Erfindung ist ein rückseitiges Dämmkonzept für Flachkollektoren auf Basis einer Foliendämmung, das bei geringem Gewicht und niedrigen Fertigungskosten die Mineralwolle ersetzt und den Feuchtehaushalt des Kollektors optimiert. Es bietet dem Absorber außerdem eine stabile mechanische Lagerung und minimiert gleichzeitig Wärmebrücken, die zu thermischen Verlusten führen würden. Zudem verhindert es den durch thermische Ausdehnung erzeugten Durchhang der Folie bei höheren Betriebstemperaturen, sodass eine hohe Funktionssicherheit gewährleistet und auch die konvektiven rückseitigen thermischen Verluste zuverlässig minimiert werden.The invention relates to a rear insulation concept for flat-plate collectors based on a film insulation, which replaces the mineral wool and optimizes the moisture content of the collector with low weight and low production costs. It also provides the absorber with a stable mechanical bearing while minimizing thermal bridges that would lead to thermal losses. In addition, it prevents the slack of the film caused by thermal expansion at higher operating temperatures, so that a high level of functional reliability is ensured and also the convective backside thermal losses are reliably minimized.
Stand der Technik, bisherige ArbeitenPrior art, previous work
Zur Reduktion der rückseitigen Kollektorverluste und zur Verbesserung des Feuchtehaushalts wurden bereits verschiedene Konzepte entwickelt, die zwar einzelne Probleme lösen, aber auch neue hervorrufen, sodass Effizienz, Betriebssicherheit und Produktionskosten der Kollektoren bisher nicht gleichzeitig optimiert werden konnten.To reduce the back collector losses and to improve the moisture balance, various concepts have been developed that solve individual problems but also create new ones, so that the efficiency, reliability and production costs of the collectors could not be optimized at the same time.
In
Eine solche rückseitige Foliendämmung bietet eine im Mittel etwa gleiche Dämmwirkung wie die Mineralwolle im trockenen Zustand bei gleichzeitiger Reduktion von Gewicht und Herstellungskosten von Flachkollektoren [4]. Sie führt jedoch auch zu Variationen der Dämmwirkung durch die Entwicklung unterschiedlicher Konvektionsmuster im Kollektor, abhängig von Temperaturen, Geometrie und Neigungswinkel des Kollektors. Es muss außerdem gegen Durchhang bei höheren Betriebstemperaturen eine in der Regel aufwändige Spannvorrichtung für die Folie vorgesehen werden. Auch kann der Absorber nicht mehr auf der Mineralwolle gelagert werden, sodass in der Praxis der sichere Betrieb von Kollektoren mit rückseitiger Foliendämmung nicht ohne weiteres gewährleistet werden kann. Während bei konventionellen Flachkollektoren die Steifigkeiten des Absorbers und des Wärmeübertragers aufgrund der flächigen Auflage auf dem Dämmmaterial unwesentlich sind, spielen sie bei der Foliendämmung eine wichtige Rolle. Je nach Wärmeübertragerbauform (Serpentinenabsorber, Harfenabsorber oder Mäanderabsorber) kann es bei der Kollektorbauweise nach
Durch die große thermische Dehnung der üblicherweise aus Kunststoff gefertigten Folie bei höheren Absorber- bzw. Kollektortemperaturen kann sich der Abstand zwischen Absorber und Folie allerdings – selbst bei Einsatz einer Spannvorrichtung – auch so weit vergrößern, dass die Konvektion nicht mehr unterdrückt werden kann und die Folie u. U. sogar am Gehäuse anliegt. Due to the large thermal expansion of the usually made of plastic film at higher absorber or collector temperatures, however, the distance between the absorber and film - even with the use of a jig - so far enlarge that the convection can not be suppressed and the film u. U. even applied to the housing.
Die durch erhöhte Temperaturen verringerte Zähigkeit der Luft und die höheren Auftriebskräfte begünstigen die Ausbildung von Konvektion noch zusätzlich, sodass in diesem Fall die rückseitigen Wärmeverluste des Kollektors stark ansteigen und sein Wirkungsgrad sinkt.The increased toughness of the air due to increased temperatures and the higher buoyancy forces further promote the formation of convection, so that in this case the rear heat losses of the collector rise sharply and its efficiency decreases.
Literaturliterature
-
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Ole Holck, Svend Svendsen, Stefan Brunold, Ueli Frei, Michael Köhl, Markus Heck, Henk Oversloot: Solar collector design with respect to moisture Problems. Solar Energy 75 (2003) 269–276 Ole Holck, Svend Svendsen, Stefan Brunold, Ueli Frei, Michael Köhl, Markus Heck, Henk Oversloot: Solar collector design with respect to moisture problems. Solar Energy 75 (2003) 269-276 -
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Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Die Durchfeuchtungsproblematik der rückseitigen Wärmedämmung konventioneller Flachkollektoren (s. o.) soll durch die Substitution der Mineral-/Steinwolle durch eine Folie zwischen Absorber und Gehäuserückwand vermieden werden. Gleichzeitig soll die thermische Effizienz und Funktionssicherheit dieser Dämmvariante von Sonnenkollektoren bei allen im realen Betrieb möglichen Temperaturen verbessert werden. Außerdem soll die Erfindung eine im Vergleich zu gewöhnlichen Kollektoren leichtere und kostengünstigere Konstruktion ermöglichen. Darüber hinaus soll die erfindungsgemäße rückseitige Dämmung in herkömmlichen Flachkollektoren durch Austausch der konventionellen Mineral- oder Steinwolldämmung oder durch Ergänzung zu bestehenden rückseitigen Foliendämmungen nachrüstbar sein.The Durchfeuchtungsproblematik the rear thermal insulation of conventional flat-plate collectors (see above) should be avoided by the substitution of mineral / rock wool by a film between the absorber and the rear wall of the housing. At the same time, the thermal efficiency and reliability of this Dämmvariante of solar panels should be improved at all temperatures possible in real operation. In addition, the invention is to allow a lighter and cheaper construction compared to ordinary collectors. In addition, the inventive rear insulation should be retrofitted in conventional flat panels by replacing the conventional mineral or stone wool insulation or by supplementing existing rear film divides.
Aufgabenlösung, Beschreibung der ErfindungTask solution, description of the invention
Die vorliegende Erfindung löst die oben angegebenen Probleme aufbauend auf der in
Die rückseitigen Verluste werden mit Hilfe der Erfindung weiter minimiert, indem die Ausbildung von Konvektion durch kleine Überströmlängen unterdrückt wird. Als Überströmlänge wird diejenige Strecke bezeichnet, entlang derer eine Strömung thermische Energie aufnehmen kann. Um diese zu verkürzen, ist/sind die innere/inneren Stütze/Stützen, die zwischen Kollektorrückwand und Absorber bzw. Wärmeübertrager eingebaut wird/werden, als Wand/Wände ausgeführt (Anspruch 6), die senkrecht oder zumindest nicht parallel zu derjenigen Richtung verläuft/verlaufen, in der andernfalls eine konvektive Strömung auftreten würde (Anspruch 7). Um die Ausbildung von Konvektion noch weiter zu behindern, können die Stützwände außerdem rippenartig ausgeführt werden (Anspruch 8).The back losses are further minimized by the invention by suppressing the formation of convection by small overflow lengths. The overflow length is the distance along which a flow can absorb thermal energy. To shorten this, is / are the inner / inner support / supports, which is installed between the collector rear wall and absorber or heat exchanger (s), designed as a wall / walls (claim 6), which is perpendicular or at least not parallel to that direction / run, in which otherwise a convective flow would occur (claim 7). In order to impede the formation of convection even further, the support walls can also be performed rib-like (claim 8).
Die Stützen können für gute mechanische Festigkeit als massive Körper (Anspruch 9) oder besser als Hohlprofile (Anspruch 10) ausgeführt werden, um die thermischen Verluste durch Wärmeleitung auf ein Minimum zu beschränken.The supports can be designed for good mechanical strength as a solid body (claim 9) or better than hollow profiles (claim 10) in order to minimize the thermal losses by heat conduction to a minimum.
Durch die im Vergleich zu
Die Halterung wird fest oder schwimmend mit dem Absorber bzw. Wärmeübertrager, der Folie und dem Kollektorgehäuse verbunden (Ansprüche 11–16). Durch eine bewegliche Verbindung wird die Wärmedehnung der Bauteile nicht behindert, während durch die Stütze/Stützen trotzdem ein Durchhängen von Absorber bzw. Wärmeübertrager und Folie und die damit verbundene Verstärkung der Wärmeübertragung vom Absorber zur Kollektorrückwand vermieden werden. Damit die Folie nicht beschädigt werden kann, sind die Oberflächen der inneren Stützen besonders glatt oder im Zusammenspiel mit der Folie gleitfähig auszuführen (Anspruch 17).The holder is fixed or floating with the absorber or heat exchanger, the film and the collector housing connected (claims 11-16). By a movable connection, the thermal expansion of the components is not hindered, while still a sagging of absorber or heat exchanger and film and the associated increase in heat transfer from the absorber to the collector back wall are avoided by the support / supports. So that the film can not be damaged, the surfaces of the inner supports are particularly smooth or perform in conjunction with the film slidably (claim 17).
Als Materialien für die Halterung kommen Kunststoffe (Anspruch 18) oder andere Stoffe mit geringer Wärmeleitfähigkeit (Anspruch 19) infrage, sowie die auch in konventionellen Kollektoren eingesetzte Mineral- oder Steinwolle (Anspruch 20), z. B. als dämmender Füllstoff von Kunststoff-Hohlprofilen eingesetzt werden. So werden die rückseitigen thermischen Verluste durch Wärmeleitung gering gehalten. Der bei einer schwimmenden Verbindung von Halterung und Folie nahezu unvermeidliche Spalt in der Stütze kann die Wärmeleitung vom Absorber bzw. Wärmeübertrager über die Stütze zum Kollektorgehäuse nochmals verringern.As materials for the holder are plastics (claim 18) or other substances with low thermal conductivity (claim 19) in question, and also used in conventional collectors mineral or rock wool (claim 20), z. B. are used as insulating filler of plastic hollow sections. Thus, the rear thermal losses are kept low by heat conduction. The almost inevitable in a floating connection of support and film gap in the support can reduce the heat conduction from the absorber or heat exchanger on the support to the collector housing again.
Zur einfachen Nachrüstung bestehender, konventionell gedämmter Flachkollektoren kann die gesamte Halterung mit der Folie auch zu einem Bauteil zusammengesetzt werden (Anspruch 21). So kann die Mineral- oder Steinwolle einfach gegen eine optimierte Foliendämmung ausgetauscht werden, da die flächige Lagerung des Absorbers auf der Mineralwolle erfindungsgemäß durch Stützen ersetzt wird. Eine feste Verbindung zwischen Absorber bzw. Wärmeübertrager und Absorberhalterung sowie zwischen Halterung und Kollektorgehäuse kann durch Schrauben, Kleben, Klemmen, Nieten, Stanzen, Pressen, Schweißen oder sonstige formschlüssige Verbindungen realisiert werden (Anspruch 22).For simple retrofitting existing, conventionally insulated flat plate collectors, the entire holder with the film can also be assembled into one component (claim 21). Thus, the mineral or rock wool can be easily replaced with an optimized film insulation, since the surface storage of the absorber is replaced on the mineral wool according to the invention by supports. A firm connection between absorber or heat exchanger and absorber holder and between the holder and the collector housing can be realized by screwing, gluing, clamping, riveting, punching, pressing, welding or other form-fitting connections (claim 22).
Zur Illustration der Erfindung sind der Beschreibung 3 Abbildungen beigefügt. Es zeigen;To illustrate the invention, the
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Kollektorgehäusecollector housing
- 22
- Transparente AbdeckungTransparent cover
- 33
- Absorber mit WärmeübertragerAbsorber with heat exchanger
- 44
- Foliefoil
- 55
- FolieneinspannungFolieneinspannung
- 66
- Innere StützeInner support
- 77
- Äußere StützeOuter support
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R086 | Non-binding declaration of licensing interest | ||
R207 | Utility model specification |
Effective date: 20120329 |
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R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20150108 |
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R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: F24J0002460000 Ipc: F24S0040000000 |
|
R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years | ||
R071 | Expiry of right |