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Die Erfindung betrifft einen Solarkollektor mit einem Absorber zur Aufnahme und Umwandlung von Sonnenenergie und Erwärmung eines Fluids sowie ein System zur Wärmeenergiegewinnung mit einem derartigen Absorber.
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Im Rahmen der Nutzung regenerativer Energien gewinnt die Umwandlung von Sonnenenergie in thermische Energie zunehmende Bedeutung.
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Die Umwandlung von Sonnenenergie in nutzbare thermische Energie zur Warmwasserbereitung und zur Beheizung von Wohnungen und Gebäuden steht zunehmend im Zentrum des Interesses. Die Umwandlung der Sonnenstrahlung in Wärmeenergie erfolgt dabei in sog. Absorbern.
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Einen umfassenden Überblick dazu bietet das Fachbuch „Frank Späte, Heinz Ladener, Solaranlagen, Handbuch der thermischen Solarenergienutzung, 2011" aus dem Ökobuch-Verlag, ISBN 978-3-936896-40-4.
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In einem Absorber, der von einem Fluid durchströmt wird, erfolgt die Umwandlung der Sonnenstrahlung in Wärmeenergie. Das Fluid nimmt die erzeugte Wärmeenergie auf und transportiert diese an einen Verbraucher weiter.
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Aus dem Stand der Technik sind Absorber bekannt, die meist als Rohr-Finne-Konstruktion ausgebildet sind. Solche Rohr-Finne-Konstruktionen bestehen oftmals aus Kupfer- oder Aluminiumblech mit rückseitig angeordneten Kupferrohren. Aufgrund der sehr guten Wärmeleitfähigkeit des Kupfers bzw. Aluminiums kann die von den Blechen aufgenommene Wärmeenergie an das in den Kupferrohren strömende Fluid weitergegeben werden.
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Auch die Verwendung von Polymermaterialien als Absorber für die Erwärmung von Schwimmbädern ist bekannt. Hierzu sind Rohre oder Schläuche aus Polymermaterial eng aneinander anliegend in einer Harfen-, Mäander- oder Schneckenform angeordnet.
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Nachteilig bei diesen Ausführungen sind einerseits der hohe Preis für die eingesetzten Materialien, insbesondere Kupfer, sowie deren komplexe und aufwändige Verarbeitung.
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Bei Kunststoff-Kollektorlösungen sind die geringe Belastbarkeit der Materialien, insbesondere bei höheren Temperaturen und Drücken, nachteilig. Kunststoffe neigen bei hohen Temperaturen und Drücken zur Formänderung, also beispielsweise zum Kriechen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Solarkollektor mit einem Absorber zur Erwärmung eines Fluids und ein System zur Wärmeenergiegewinnung mit einem Solarkollektor zur Verfügung zu stellen, mit dem die aufgezeigten Nachteile überwunden werden.
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Weiterhin soll der Solarkollektor mit dem Absorber in einfacher Weise herstellbar sein, langlebig und inert sein, eine hohe Energieumwandlungseffektivität aufweisen und kostengünstig zur Verfügung gestellt werden können.
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Hier setzt die Erfindung ein, die es sich zur Aufgabe gestellt hat, einen Solarkollektor mit einem Absorber anzugeben, der in einfacher Weise herstellbar ist, langlebig und inert ist, eine hohe Energieumwandlungseffektivität aufweist und kostengünstig zur Verfügung gestellt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Solarkollektor gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass ein Solarkollektor mit einem Absorber zur Aufnahme und Umwandlung von Sonnenenergie und Erwärmung eines Fluids, wobei der Absorber einen Absorberkörper mit einem Energieaufnahmeabschnitt und eine Metallfolie umfasst und in einem Tragekörper aufgenommen ist, diese Aufgabe löst, wenn der Absorberkörper Metall enthält oder daraus besteht und dass der Absorberkörper und die Metallfolie derart gestaltet und miteinander verbunden sind, dass ein Strömungspfad für das den Absorber durchströmende Fluid ausgebildet ist.
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Ein derartiger Solarkollektor mit einem Absorber zur Aufnahme und Umwandlung von Sonnenenergie und Erwärmung eines Fluids ist in einfacher Weise herstellbar, langlebig, inert, einfach installierbar und kostengünstig verfügbar, überdies besitzt er eine hohe Energieumwandlungseffektivität, weist eine hohe thermische Leitfähigkeit auf und ist gegenüber der UV-Strahlung der Sonne resistent.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Fig. und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Es hat sich bei der vorliegenden Erfindung als günstig erwiesen, wenn der Absorber derartig ausgebildet ist, dass der Absorberkörper und/oder die Metallfolie ein Metall, ausgewählt aus Aluminium, Stahl, Kupfer und einem Aluminium-Kupfer-Plattinierungsverbund, enthalten oder daraus bestehen.
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Ein Absorberkörper und/oder eine Metallfolie aus Aluminium, Stahl, Kupfer oder einem Aluminium-Kupfer-Plattinierungsverbund sind kostengünstig, einfach herstellbar, langlebig und temperaturbeständig. Ebenso widerstehen sie der Einwirkung von UV-Strahlung der Sonne. Darüber hinaus weisen sie eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit auf, was die Nutzung der Sonnenenergie erheblich verbessert.
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In einer sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Absorberkörper in einem Tiefziehverfahren oder einem Prägeverfahren oder einem Walzverfahren oder einem Abkantverfahren oder in einem Innenhochdruckumformungsverfahren oder durch eine Kombination der vorgenannten Verfahren hergestellt ist.
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Die Herstellung des Absorberkörpers in einem Tiefziehverfahren oder einem Prägeverfahren oder einem Walzverfahren oder einem Abkantverfahren oder in einem Innenhochdruckumformungsverfahren oder durch eine Kombination der vorgenannten Verfahren ist einfach durchführbar, genau und reproduzierbar auszuführen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Absorber sind der Absorberkörper und die Metallfolie derart gestaltet und miteinander verbunden, dass ein Strömungspfad für das den Absorber durchströmende Fluid ausgebildet ist.
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Hierzu ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Absorberkörper und die Metallfolie stoffschlüssig oder formschlüssig oder kraftschlüssig oder durch eine Kombination der vorgenannten verbunden sind. Dies kann durch eine Schweißverbindung oder eine Lötverbindung oder eine Klebeverbindung oder eine Pressverbindung oder eine Nietverbindung oder eine Schraubverbindung oder eine Walzverbindung oder eine Roll-Bond-Verbindung oder durch eine Kombination der vorgenannten Verbindungstechniken geschehen.
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Die Verbindung von Absorberkörper und Metallfolie ist fluiddicht gestaltet.
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Absorberkörper und Metallfolie sind miteinander zumindest an den Außenkanten fluiddicht verbunden und bilden den Strömungspfad für das den Absorber durchströmende Fluid aus.
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Bei einer Klebeverbindung kann sehr vorteilhaft ein duroplastischer Klebstoff, insbesondere ein Epoxid-Klebstoff, eingesetzt werden, der eine sehr feste Verbindung zwischen Absorberkörper und Metallfolie gewährleistet. Soll die Verbindung dagegen flexibel sein, weil beispielsweise die thermische Ausdehnung des Absorberkörpers gegenüber der Metallfolie zu berücksichtigen ist, kann auf einen elastischen Klebstoff, wie beispielweise einen Silikonkautschukklebstoff zurückgegriffen werden. Auch die Kombination eines starren duroplastischen Klebstoffs mit einem elastischen Klebstoff kann Vorteile bringen. Der duroplastische Klebstoff gewährleistet eine mechanisch feste Verbindung und der elastische Klebstoff gleicht die Längenausdehnung aus und sorgt für eine fluiddichte Verbindung.
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Selbstverständlich kann die Klebetechnik mit einer der anderen genannten Verbindungstechniken kombiniert werden.
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Durch die oben genannten Verbindungstechniken – in Alleinstellung oder in einer Kombination – kann in sehr wirtschaftlicher Weise unter Minimierung des technischen Aufwands eine fluiddichte Verbindung zwischen Absorberkörper und Metallfolie hergestellt werden, wobei ein Strömungspfad für das den Absorber durchströmende Fluid ausgebildet ist.
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In einem günstigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist es von Vorteil, wenn mindestens an den Abschnitten des Absorberkörpers und/oder der Metallfolie, die mit dem Fluid in Berührung kommen, eine korrosionsbeständige Oberflächenbeschichtung ausgebildet ist.
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Durch das Ausbilden einer korrosionsbeständigen Oberflächenbeschichtung können die Abschnitte des Absorberkörpers und/oder der Metallfolie, die mit dem Fluid in Berührung kommen, wirksam vor dem ggf. schädlichen, insbesondere korrosiv wirkenden Fluid geschützt werden.
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Durch das Vorsehen einer korrosionsbeständigen Oberflächenbeschichtung wird die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Absorbers wirksam verlängert.
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Als Fluid wird im Erfindungszusammenhang Wasser oder eine Wasser-Alkohol-Mischung, insbesondere Wasser-Glykol, oder eine Wasser-Salz-Mischung verstanden.
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Der Absorber ist in einem Tragekörper aufgenommen.
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Hierdurch ist der Absorber einerseits fixiert und in seiner Lage zur Sonne positioniert, andererseits ist er durch den Tragekörper geschützt.
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Der Tragekörper selbst kann als Wanne ausgebildet sein, die in etwa rechteckig ausgebildet ist, mit Wänden an den vier Seiten, die umlaufend ausgebildet und mit einer Bodenwandung verbunden sind.
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Als günstig hat sich erwiesen, wenn die Wanne derart ausgebildet ist, dass sie stapelbar ist, weil dadurch Raum bei der Lagerung und beim Transport eingespart werden kann.
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Hierzu kann die Wanne in einer konischen Raumform ausgebildet sein.
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Auf der Bodenwandung lässt sich der Absorber anordnen.
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Dazu kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Metallfolie an der zur Bodenwandung weisenden Seite eine Oberflächenbeschichtung, beispielsweise einen Haftvermittler, aufweist, mit dem die Metallfolie an der Bodenwandung befestigbar ist.
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Die Befestigung der Metallfolie kann bereits bei der Formung des Tragekörpers geschehen.
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Zur verbesserten Festlegung des Absorbers in der Wanne des Tragekörpers kann an der Randseite des Tragekörpers ein Hinterschnitt ausgebildet sein, in den das Ende der randseitigen Abwinkelung des Absorberkörpers eingreift.
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In einer anderen Ausführung stoßen die randseitige Abwinkelung des Absorberkörpers und die Randseite des Tragekörpers stumpf und flächig aneinander, was ebenfalls das Festlegen des Absorbers im Tragekörper bewirkt.
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Als günstig hat sich erwiesen, wenn der Tragekörper ein hochtemperaturbeständiges Kompositmaterial, das bevorzugt ein SMC-Werkstoff (SMC = Sheet Molding Compound) ist, enthält oder daraus besteht, und wobei der SMC-Werkstoff wenigstens enthält:
- – ein duroplastisches Harz, insbesondere ein ungesättigtes Polyesterharz (UP-Harz) oder ein Vinylesterharz (VE-Harz) oder ein Epoxid-Harz (EP-Harz),
- – einen Füllstoff und/oder
- – Glasfasern.
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Durch das Vorsehen eines Kompositmaterials, das der Tragekörper enthält oder aus dem der Tragekörper besteht, kann in sehr günstiger Weise ein Tragekörper gebildet werden.
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In diesem Zusammenhang eignet sich als Kompositmaterial ein SMC-Werkstoff.
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Ein SMC-Werkstoff ist besonders vorteilhaft einsetzbar, da dieser leicht zugänglich ist, dabei kostengünstig und äußerst haltbar ist, leicht verarbeitet werden kann, maßhaltig ist und in einfacher Weise verklebt werden kann, darüber hinaus ist er hochtemperaturstabil.
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Darüber hinaus kann er Kräfte aufnehmen, neigt nicht zum Verzug und lässt sich leicht mit verschiedenen Verarbeitungsverfahren in die benötigten Formen bringen. Er ist einfach einfärbbar, kann mit Flammschutzmitteln versehen werden und ist bevorzugt wärmeisolierend eingestellt, was durch Treibmittel, poröse Füllstoffe, Hohlglaskugeln und/oder IR-reflektierende Zuschlagstoffe im Material erreicht wird.
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Im Erfindungszusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn der Tragekörper aus SMC-Werkstoff besteht oder aber SMC-Werkstoff enthält.
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Eine typische Zusammensetzung eines SMC-Werkstoffs, der für die Herstellung eines Tragekörpers geeignet ist, ist folgende:
- • 4 bis 20 Gew.-% vernetzungsfähiges Harz,
- • etwa 45 bis 53 Gew.-% Füllstoffe,
- • etwa 30 bis 38 Gew.-% Glasfasern,
- • der Rest sind Additive zur Schwundreduktion, Inhibitoren, inerte Trennmittel, Peroxide als Beschleuniger oder Reaktionsmittel, je nach Anforderung Farbpasten, Flammschutzmittel, wärmeisolierende Zuschläge.
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Als vernetzungsfähige Harze können ungesättigte Polyesterharze (UP-Harze), Vinylesterharze (VE-Harze) oder Epoxid-Harze (EP-Harze) eingesetzt werden.
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UP-Harze sind besonders kostengünstig.
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Es ist von daher im Rahmen der Erfindung vorteilhaft, den Tragekörper beispielsweise aus einem UP-Harz zu fertigen.
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Als Füllstoffe im SMC-Werkstoff eignen sich mineralische Füllstoffe, beispielsweise Kreide oder Gesteinsmehl. Allgemein sind solche Füllstoffe bevorzugt, die eine besonders niedrige Wasseraufnahme zeigen und die inert sind. Dazu sind insbesondere anorganische Füllstoffe aus der Gruppe der Carbonate, Silikate, Phosphate und Oxide brauchbar. Ganz besonders brauchbar ist beispielsweise Calciumcarbonat, Kreide, Calciumsulfat, Calciumphosphat, Calciumsilikat, Schwerspat, Wollastonit und Ähnliches einsetzbar.
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Die im SMC-Werkstoff eingebrachten Glasfasern dienen zur Erhöhung der Steifigkeit und Festigkeit des Materials. Die Glasfasern liegen dazu meist als Roving, Faserschnitt, Vliesstoff oder Gewebe vor. Die gute Haftung zwischen Glasfaser und Harz wird durch eine Schlichte, z. B. durch eine Silanschlichte, erreicht, die auf der Glasfaser aufgetragen ist. Es sollten dazu Glasfasern ausgewählt werden, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine sehr niedrige Wasseraufnahme aufweisen.
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Der Tragekörper ist vorteilhaft an seiner von der vorstehend beschriebenen Wanne abgewandten Seite auch in Form einer zweiten Wanne ausgebildet. Hierzu sind Seitenwände vorgesehen, die umlaufend und mit der Bodenwandung verbunden sind und dadurch die Wanne bilden. Die Stapelbarkeit wird, wie vorstehend bereits ausgeführt, beispielsweise durch eine Konizität der Raumform sichergestellt.
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Die Wanne kann in günstiger Weise Rippen, Sicken oder Stege aufweisen, um dadurch die Steifigkeit des Tragekörpers zu erhöhen. Insbesondere die Verwindungs- und Biegesteifigkeit des Tragekörpers wird so gewährleistet. Dadurch kann in ganz vorteilhafter Weise die Wandstärke reduziert werden, wodurch das Gewicht des Tragekörpers verringerbar ist.
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Der Tragekörper ist vorteilhafterweise so konstruiert, dass er Schneelasten (Drucklasten) und Windlasten (Soglasten) widersteht, indem Versteifungselemente vorgesehen sind und die Wandstärken entsprechend ausgelegt sind.
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Günstigerweise ist das Material, aus dem der Tragekörper gefertigt ist, derart gewählt, dass es einer dauerhaften Einwirkung der Witterung und der UV-Strahlung der Sonne standhält.
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In dem freien Raum der zweiten Wanne kann eine Isolation angeordnet sein, die einen unerwünschten Wärmeverlust begrenzt. Hierzu eignet sich beispielsweise ein Polymerschaummaterial oder Glaswolle oder Steinwolle oder eine Kombination der vorgenannten. Die Isolation wird so ausgewählt, dass diese den auftretenden Temperaturen widersteht und eine entsprechend hohe Hitzebeständigkeit aufweist. Die Isolation kann durch eine Abdeckfolie festgelegt sein.
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Der Absorberkörper und die Metallfolie sind an ihren beiden ersten Seiten so konstruiert, dass beim Zusammenfügen ein Strömungspfad entsteht, um darin das Fluid zu leiten.
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Dazu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass an der ersten Seite des Absorberkörpers eine entsprechende Vertiefung angebracht ist, die im Zusammenwirken mit der ersten Seite der Metallfolie den Strömungspfad bildet.
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Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung der ersten Seite des Absorberkörpers derart, dass dort eine Vertiefung beispielsweise in Form einer Nut ausgebildet ist, die in Verbindung mit der ersten Seite der Metallfolie, die als plane Fläche ausgebildet ist, den Strömungspfad bildet.
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Die Nut kann im Querschnitt etwa halbkreisförmig gestaltet sein. Auch andere Querschnitte, insbesondere solche, die eine im Vergleich zur Tiefe der Nut große Breite aufweisen, sind möglich. Mit diesen kann das Fluid besonders effektiv erwärmt werden.
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Bei dieser Konstruktion ist eine sehr einfache Realisierung des Absorbers gewährleistet.
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In einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Absorberkörper und die Metallfolie an ihrer jeweils ersten Seite kongruent gleichartig ausgebildet sind, um beim Zusammenfügen den Strömungspfad zu bilden.
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Hierzu kann insbesondere vorgesehen sein, dass Absorberkörper und Metallfolie Gleichteile sind, also aus einem Werkzeug stammen bzw. darin hergestellt sind.
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Dadurch werden Absorberkörper und Metallfolie sehr günstig zugänglich.
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Absorberkörper und Metallfolie sind zumindest an Abschnitten ihrer jeweils ersten Seite miteinander verbunden, so dass in fluiddichter Weise ein Strömungspfad für das zu leitende Fluid entsteht.
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Im Rahmen der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass am Absorberkörper und/oder an der Metallfolie ein Zulauf und ein Ablauf für das den Absorber durchströmende Fluid ausgebildet sind.
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Es ist dadurch sehr einfach, den Absorber an den Fluidkreislauf des Systems zur Wärmeenergiegewinnung anzuschließen.
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Die Ausbildung eines Zulaufs und eines Ablaufs am Absorberkörper und/oder an der Metallfolie kann werkzeugseitig so erfolgen, dass entsprechende Einrichtungen am oder im Werkzeug vorgesehen sind, bei der Formgebung des Werkstoffs zum Absorberkörper oder zur Metallfolie den Zulauf und den Ablauf mit auszubilden.
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Es kann alternativ auch vorgesehen sein, dass beim Formen des Werkstoffs an bestimmten Abschnitten des Werkzeuges Einlegeteile mit eingebunden werden, die dann Zu- und/oder Ablauf bilden. Solche Einlegeteile können aus Metall, insbesondere aus Stahl, Edelstahl, Aluminium, Messing oder dergleichen hergestellt sein. Mittels solcher Einlegeteile, die beispielsweise Gewindeabschnitte aufweisen, lässt sich der Absorber sehr einfach mit der vorgesehenen Verrohrung zur Weiterleitung des Fluids verbinden. Die Verbindungstechnik kann mittels Schlauchtüllen oder Schiebehülsenverbindungen erfolgen, wobei auch andere Verbindungstechniken möglich sind.
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Dies ist insofern günstig, als dass durch das integrierte Ausbilden von Zulauf und Ablauf für das durchzuleitende Fluid Dichtigkeitsprobleme weitgehend minimiert sind, ebenso ist der Aufwand für das Ausbilden von Zu- und Ablauf minimiert im Vergleich zu Lösungen aus dem Stand der Technik, bei denen solche Strukturen beispielsweise durch Kleben oder andere Techniken aufwendig herzustellen sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass mindestens am Energieaufnahmeabschnitt des Absorberkörpers eine selektive oder teilselektive Schicht zur optimierten Aufnahme von Sonnenenergie und Umwandlung in Wärmeenergie ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist hierbei eine selektive Schicht, die eine große Absorptionsfähigkeit für Sonnenstrahlung sowie eine geringe Emissivität für Wärmestrahlung aufweist, da dadurch ein hoher Wirkungsgrad bei der Wärmeenergiegewinnung erreicht werden kann.
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Eine derartige Schicht kann beispielsweise eine Schicht sein, die ganz besonders einfach beim Formen des Absorberkörpers bereits mit ausgebildet sein kann.
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Bei der Formgebung des Absorberkörpers ist darauf zu achten, dass es zu keiner Beschädigung oder anderen unerwünschten Veränderungen der Schicht am Energieaufnahmeabschnitt des Absorberkörpers kommt.
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In einer anderen Ausführungsform kann eine solche Schicht auch nachträglich auf den Energieaufnahmeabschnitt des Absorberkörpers aufgebracht sein.
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Bei der selektiven oder teilselektiven Schicht kann es sich um eine mehrlagige PVD-Beschichtung (PVD = Physical Vapour Deposition) handeln, bei dem das Beschichtungsmaterial in einem Elektronenstrahlverdampfungsverfahren oder einem Sputter-Verfahren aufgebracht wird.
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Weiterhin kann es sich bei der selektiven oder teilselektiven Schicht um ein Nanokomposit aus Oxid und Metallpartikeln handeln, das galvanisch abgeschieden wird.
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Weiterhin kann es sich bei der selektiven oder teilselektiven Schicht um ein polymerbasiertes Mehrkomponentenmaterial handeln, beispielsweise um einen 2-K-Polyurethanlack oder ein Silikonpolyester ein Polyester-Melamin, der Ruß und/oder Schwarzpigmente enthält, und der auf dem Energieaufnahmeabschnitt des Absorberkörpers gut haftet.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass der Energieaufnahmeabschnitt des Absorberkörpers, der in Richtung der Sonne ausrichtbar ist und die Sonnenstrahlung aufnimmt, beispielsweise eine Oberflächenstruktur aufweist, die besonders gut geeignet ist, Sonnenstrahlung aufzunehmen.
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Die Oberfläche kann dazu beispielsweise strukturiert sein, indem dort Nuten oder Furchen, insbesondere Mikronuten oder Mikrofurchen oder Pyramiden, insbesondere Mikropyramiden, angeordnet sind.
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Diese vergrößern die Oberfläche und stellen damit eine vergrößerte Fläche für die Sonneneinstrahlung und deren Aufnahme und Umwandlung in Wärmeenergie zur Verfügung.
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Auch andere Strukturierungen der Fläche sind möglich, insbesondere auch eine Aufrauung der Oberfläche, die die nutzbare Oberfläche ebenfalls vergrößert.
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In einer sehr vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mindestens der Energieaufnahmeabschnitt des Absorberkörpers mit einer transparenten Abdeckung bedeckt ist.
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Die Endabschnitte der Seiten des Tragekörpers können dazu Mittel aufweisen, eine transparente Abdeckung anzuordnen und festzulegen. Die transparente Abdeckung schützt den Absorberkörper vor Wärmeverlusten durch Konvektion. Durch die Ausbildung eines sogenannten „Glashauseffektes” wird der Strahlungswärmeverlust des Absorberkörpers verringert.
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Die transparente Abdeckung kann mit einer Dichtung am Tragekörper befestigt sein. Die transparente Abdeckung ist dabei so zu wählen, dass diese möglichst viel Strahlungsenergie der Sonne durchlässt. Der Energieaufnahmeabschnitt des Absorberkörpers ist durch das Vorsehen der transparenten Abdeckung vor Einwirkungen der Witterung effektiv geschützt. Je nach Auswahl der transparenten Abdeckung kann der Energieaufnahmeabschnitt auch vor der Einwirkung von UV-Strahlung geschützt werden.
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Der Solarkollektor selbst lässt sich auf einem Hausdach, an einer Fassade, oder einem Montagesystem oder auf entsprechenden Aufständerungen mit Befestigungsmitteln befestigen und kann so ausgerichtet werden, dass er möglichst viel Sonnenstrahlung aufnimmt.
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Hierzu kann in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung vorgesehen sein, dass am Tragekörper ein Befestigungsabschnitt ausgebildet ist, an dem der Solarkollektor festlegbar ist. Der Befestigungsabschnitt kann dazu beispielsweise als Nut, als Hinterschnitt, als Leiste, als Materialverdickung oder ähnliches bereits bei der Formung des Tragekörpers ausgebildet sein.
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Eine Befestigung kann dann durch Verschraubung, Verklemmung, Vernietung, Verklebung oder ähnliche Techniken erfolgen.
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Ein solcher Solarkollektor mit einem Absorber gemäß vorliegender Erfindung ist kostengünstig in der Herstellung, langlebig und einfach konstruiert.
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Derartige Solarkollektoren können insbesondere modular aneinander angeordnet werden und so ein ganzes Feld bilden, mit dem entsprechend große Wärmeenergiemengen erzeugbar sind.
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Die weitere Aufgabe der Erfindung, ein System zur Wärmeenergiegewinnung anzugeben, erfährt ihre Lösung mit Anspruch 10.
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Im Rahmen der Erfindung wird damit ein System zur Wärmeenergiegewinnung mit wenigstens einem Solarkollektor, wie vorstehend beschrieben, bereitgestellt.
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Ein solches System zur Wärmeenergiegewinnung, das neben Solarkollektor mit Absorber, wie vorstehend beschrieben, auch noch Rohrleitungen zur Leitung des Fluids, ggf. eine Pumpe, ggf. einen Wärmetauscher, ggf. einen Fluidvorratsbehälter, welche zusammen das Fluidleitsystem bilden, ggf. verschiedene Sensoren und Steuergeräte und dergleichen mehr umfassen kann, ist geeignet, Wärmeenergie, die aus Sonnenstrahlung generiert wird, einem Verbraucher zur Verfügung zu stellen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich das folgend beschriebene Verfahren zur Herstellung des Solarkollektors als günstig erwiesen Das Verfahren zur Herstellung eines Solarkollektors umfasst dabei folgende Schritte:
- – Formen eines Tragekörpers aus einem Kompositmaterial unter Ausformung des Befestigungsabschnittes und des Abschnittes zur Befestigung der transparenten Abdeckung und des Zu- und Ablaufs und der Rippen in der zweiten Wanne, wobei die mit Haftvermittler auf einer Seite beschichtete Metallfolie beim Formprozess mit einer Seite des Tragekörpers verbunden wird;
- – Einlegen der Isolierung in die zweite Wanne und Aufbringen der Abdeckfolie;
- – Befestigung einer Seite des Absorberkörpers auf einer Seite der Metallfolie unter Ausbildung des Strömungspfades;
- – Befestigung der transparenten Abdeckung an dem entsprechenden Abschnitt zur Befestigung am Tragekörper, wobei eine Dichtung angebracht wird.
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Nach diesem Verfahren ist der Solarkollektor kostengünstig aus möglichst wenigen Einzelteilen in der Herstellung zugänglich.
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Der erfindungsgemäße Solarkollektor mit einem Absorber ist besonders vorteilhaft zugänglich, wenn vorgesehen ist, dass der Tragekörper in einem Formverfahren, beispielsweise in einem Pressverfahren oder einem Spritzprägeverfahren, hergestellt ist.
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Dies erfolgt unter Verbindung der zweiten Seite der mit einem Haftvermittler versehenen Metallfolie mit der ersten Seite des Tragekörpers, wobei ein Befestigungsabschnitt für die transparente Abdeckung und/oder ein Hinterschnitt zur Festlegung des Absorberkörpers und/oder ein Zu- und Ablauf und/oder ein Befestigungsabschnitt zur Festlegung an einem Montagesystem und/oder Rippen in der zweiten Wanne des Tragekörpers beim Formverfahren ausgebildet werden.
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Dadurch lässt sich ein komplexes Bauteil, das viele verschiedene Funktionen vereint, in einem einfachen Fertigungsverfahren erzeugen.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional gleiche oder ähnliche Bauteile beziehen.
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Hierzu zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung des Solarkollektors;
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2 einen Ausschnitt des Absorbers in einer Schnittdarstellung.
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In 1 ist eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Solarkollektors 12 dargestellt.
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Der Solarkollektor 12 mit dem Absorber 1 umfasst einen Absorberkörper 1.1 und eine damit verbundene Metallfolie 1.3, die derart gestaltet und miteinander verbunden sind, dass ein Strömungspfad 2 für das den Absorber 1 durchströmende Fluid ausgebildet ist. Der Absorber 1 ist im Tragekörper 1.2 aufgenommen. Absorberkörper 1.1 und Metallfolie 1.3 sind miteinander zumindest an den Außenkanten fluiddicht verbunden und bilden den Strömungspfad 2 für das den Absorber 1 durchströmende Fluid aus.
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Hierzu weist der Absorberkörper 1.1 eine erste Seite 1.1.1 und eine zweite Seite 1.1.2 auf.
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Die erste Seite 1.1.1 des Absorberkörpers 1.1 ist derartig gestaltet, dass dort Nuten eingebracht sind. Die Nuten sind hier als Vertiefungen mit etwa halbkreisförmigem Querschnitt in der ersten Seite 1.1.1 dargestellt. Die Nuten sind zu mehreren mit etwa paralleler Ausrichtung etwa gleich beabstandet angeordnet. Die Nuten sind geeignet, ein Fluid zu leiten.
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Zur Ausbildung des Strömungspfads 2 ist die erste Seite 1.1.1 des Absorberkörpers 1.1 mit der ersten Seite 1.3.1 der Metallfolie 1.3 verbunden.
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Zur Verbindung der ersten Seite 1.1.1 des Absorberkörpers 1.1 und der ersten Seite 1.3.1 der Metallfolie 1.3 sind diese durch ein Klebemittel 4 aneinander gefügt.
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Das Klebemittel 4 ist hierzu abschnittsweise auf der ersten Seite 1.1.1 des Absorberkörpers 1.1 aufgetragen.
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Durch die Verklebung der ersten Seite 1.1.1 des Absorberkörpers 1.1 und der ersten Seite 1.3.1 der Metallfolie 1.3 sind die Strömungspfade 2 ausgebildet.
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Am Absorberkörper 1.1 ist ein Energieaufnahmeabschnitt 1.1.3 ausgebildet, der einen wesentlichen Teil der Fläche des Absorberkörpers 1.1 einnimmt.
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Am Energieaufnahmeabschnitt 1.1.3 des Absorberkörpers 1.1 sind die in der Seite 1.1.1 angeordneten Nuten in etwa parallel nebeneinanderliegend ausgebildet.
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Der Energieaufnahmeabschnitt 1.1.3 des Absorberkörpers 1.1 wird von der Sonne 9 beschienen, wobei die eingestrahlte Strahlungsenergie der Sonne 9 aufgenommen und in Wärmeenergie umgewandelt wird, die das Fluid, das in den Strömungspfaden 2 zirkuliert, aufnimmt und weiterleitet.
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Auf der zweiten Seite 1.1.2 des Absorberkörpers 1.1 ist eine Schicht 5 vorgesehen, die effektiv Sonnenergie in thermische Energie umwandelt.
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Der Tragekörper 1.2, in dem der Absorber 1 aufgenommen ist, ist derart geformt, dass dessen Randseiten in etwa senkrecht zur ersten Seite 1.2.1 zum Energieaufnahmeabschnitt 1.1.3 hinweisend abgewinkelt sind. Soweit die Abwinklung entlang aller Randseiten erfolgt ist, entsteht eine erste Wanne, die im vorliegenden Erfindungszusammenhang bevorzugt ist.
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Der Absorberkörper 1.1 ist in seinen Ausmaßen so gewählt, dass dieser im Tragekörper 1.2 festlegbar ist und die gesamte Bodenfläche der ersten Wanne ausfüllt.
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Der Absorberkörper 1.1 weist randseitig eine Abwinkelung auf, die etwa senkrecht ausgebildet ist in Richtung der zweiten Seite 1.1.2.
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Zur verbesserten Festlegung des Absorbers 1 in der ersten Wanne des Tragekörpers 1.2 kann an der Randseite des Tragekörpers 1.2 ein Hinterschnitt 13 ausgebildet sein, in den das Ende der randseitigen Abwinkelung des Absorberkörpers 1.1 eingreift. Dies ist in 1 an der linken Seite des Tragekörpers gezeigt.
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In einer anderen Ausführung, was gemäß 1 an der rechten Seite des Tragekörpers 1.2 gezeigt ist, stoßen die randseitige Abwinkelung des Absorberkörpers 1.1 und die Randseite des Tragekörpers 1.2 stumpf und flächig aneinander, was ebenfalls das Festlegen des Absorbers 1 im Tragekörper 1.2 bewirkt.
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Der Endabschnitt der Randseiten des Tragekörpers 1.2 weist ein Mittel auf, eine transparente Abdeckung 6 anzuordnen und festzulegen. Ohne auf weitere Einzelheiten einzugehen, ist die transparente Abdeckung 6 mit einer Dichtung 10 am Ende der Randseiten des Tragekörpers 1.2 an einem hierfür vorgesehenen und ausgebildeten Befestigungsabschnitt befestigt.
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Der Tragekörper 1.2, in dem der Absorber 1 aufgenommen ist, ist derart geformt, dass dessen Randseiten in etwa senkrecht zur zweiten Seite 1.2.2 vom Energieaufnahmeabschnitt 1.1.3 wegweisend abgewinkelt sind. Soweit die Abwinklung entlang aller Randseiten erfolgt ist und die Randseiten umlaufend sind, ist eine zweite Wanne ausgebildet, die im vorliegenden Erfindungszusammenhang bevorzugt ist.
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An den Randseiten des Tragekörpers 1.2 ist ein Befestigungsabschnitt 8 vorgesehen, mit dem dieser beispielsweise auf einem Montagesystem festlegbar ist.
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In der durch Abwinkeln der Randseiten ausgebildeten zweiten Wanne des Tragekörpers 1.2 ist eine Isolation 7 angeordnet, die einen unerwünschten Wärmeverlust begrenzt. Die Isolation 7 kann durch eine in 1 gezeigte, hier nicht näher ausgeführte Abdeckfolie 11 festgelegt sein.
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Nicht gezeigt in 1 ist, dass in der zweiten Wanne Rippen, Sicken oder Stege ausgebildet sind, um dadurch die Steifigkeit des Tragekörpers 1.2 zu erhöhen. Insbesondere die Verwindungs- und Biegesteifigkeit des Tragekörpers 1.2 wird so gewährleistet. Dadurch kann in ganz vorteilhafter Weise die Wandstärke reduziert werden, wodurch das Gewicht des Tragekörpers 1.2 verringert ist.
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2 zeigt einen Ausschnitt des Absorbers 1 der vorliegenden Erfindung in einer Schnittansicht.
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Die Bezugszeichen entsprechen denen aus der 1.
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Der Absorber 1 umfasst einen Absorberkörper 1.1 und eine Metallfolie 1.3.
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Der Absorberkörper 1.1 weist eine erste Seite 1.1.1 und eine zweite Seite 1.1.2 auf.
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Die erste Seite 1.1.1 des Absorberkörpers 1.1 ist derart gestaltet, dass dort Nuten vorgesehen sind, die nach der Verbindung mit der Metallfolie 1.3 die Strömungspfade 2 für das zu erwärmende Fluid ausbilden.
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Die Nut in der ersten Seite 1.1.1 des Absorberkörpers 1.1 ist mit etwa halbkreisförmigem Querschnitt dargestellt.
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Auf der zweiten Seite 1.1.2 des Absorberkörpers 1.1 ist eine Beschichtung 5 aufgebracht, die die einstrahlende Sonnenenergie effektiv in Wärmeenergie umwandelt.
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Die Metallfolie 1.3 weist zwei Seiten auf, eine erste Seite 1.3.1 und eine zweite Seite 1.3.2.
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Die erste Seite 1.3.1 der Metallfolie 1.3 ist als im Wesentlichen plane Fläche ausgebildet.
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Diese plane Fläche der ersten Seite 1.3.1 der Metallfolie 1.3 ist abschnittsweise mit einem Klebemittel 4 beschichtet, mit dem die erste Seite 1.1.1 des Absorberkörpers 1.1 und die erste Seite 1.3.1 der Metallfolie 1.3 miteinander verklebt sind.
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Durch diese Verklebung werden die Strömungspfade 2 für das Fluid fluiddicht ausgebildet.
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Das Klebemittel 4 ist derartig gewählt, dass es gegenüber dem Fluid inert ist.
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Dazu ist der Strömungspfad 2 so günstig auszubilden, dass einerseits eine auf die Gesamtfläche bezogen gleichmäßige und vorzugsweise turbulente Durchströmung des Fluids durch den Absorber 1 gegeben ist. Andererseits ist darauf zu achten, dass der Druckverlust dabei so gering wie möglich gehalten wird.
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Hierzu kann vorteilhaft vorgesehen sein, Strömungsleitelemente, die beispielweise in Form von Rippen ausgebildet sind, im Strömungspfad 2 vorzugsweise bei der Formung des Absorberkörpers 1.1 und/oder der Metallfolie 1.3 einzubringen. Hierzu kann das Formwerkzeug so gestaltet sein, dass darauf Rippen oder Stege angeordnet sind, die sich beim Formen des Absorberkörpers 1.1 und/oder der Metallfolie 1.3 jeweils aufprägen und sich derart im Strömungspfad 2 ausbilden.
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Ganz bevorzugt kann dazu der Strömungspfad 2 durch die Wahl der Rippen oder Stege derart maximiert werden, dass eine sehr effektive Umwandlung und Leitung der Wärmeenergie aus dem Absorber 1 erfolgt.
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Die zweite Seite 1.3.2 der Metallfolie 1.3 ist – was in der 2 nicht im Detail gezeigt ist – mit einem Haftvermittler beschichtet und haftet an der ersten Seite 1.2.1 des Tragekörpers 1.2, wodurch der Absorber 1 am Tragekörper 1.2 fixiert ist.
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Der integrierte Zu- und Ablauf ist in der Zeichnung nicht dargestellt.
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Der in der 2 dargestellte Spalt zwischen erster Seite 1.3.1 der Metallfolie 1.3 und erster Seite 1.2.1 des Tragekörpers 1.2 ist lediglich der Übersichtlichkeit halber wiedergegeben. Es versteht sich von selbst, dass bei einer Verbindung von erster Seite 1.2.1 des Tragekörpers 1.2 und zweiter Seite 1.3.2 der Metallfolie 1.3 kein Spalt der gezeigten Art vorhanden ist.
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Weiterhin ist in 2 insbesondere gezeigt, dass die erste Seite 1.1.1 des Absorberkörpers 1.1 mit einer Oberflächenbeschichtung 3 versehen ist, die über die gesamte erste Seite 1.1.1 des Absorberkörpers 1.1 ausgebildet ist. In einer alternativen Ausführung der Erfindung kann aber auch vorgesehen sein, die Oberflächenbeschichtung 3 nur an den Abschnitten der ersten Seite 1.1.1 des Absorberkörpers 1.1 auszubilden, die mit dem Fluid in Berührung kommt. Dadurch ist die erste Seite 1.1.1 des Absorberkörpers 1.1 dann nur im Bereich des Strömungspfads 2 mit der Oberflächenbeschichtung 3 versehen.
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Die Oberflächenbeschichtung 3 auf der ersten Seite 1.1.1 des Absorberkörpers 1.1 dient dazu, das Material, aus dem der Absorberkörper 1.1 gebildet ist, vor der Einwirkung des in dem Strömungspfad 2 geleiteten Fluids zu schützen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Absorber
- 1.1
- Absorberkörper
- 1.1.1
- erste Seite
- 1.1.2
- zweite Seite
- 1.1.3
- Energieaufnahmeabschnitt
- 1.2
- Tragekörper
- 1.2.1
- erste Seite
- 1.2.2
- zweite Seite
- 1.3
- Metallfolie
- 1.3.1
- erste Seite
- 1.3.2
- zweite Seite
- 2
- Strömungspfad
- 3
- Oberflächenbeschichtung
- 4
- Klebemittel
- 5
- Schicht
- 6
- transparente Abdeckung
- 7
- Isolation
- 8
- Befestigungsabschnitt
- 9
- Sonne
- 10
- Dichtung
- 11
- Abdeckfolie
- 12
- Solarkollektor
- 13
- Hinterschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Frank Späte, Heinz Ladener, Solaranlagen, Handbuch der thermischen Solarenergienutzung, 2011” aus dem Ökobuch-Verlag [0004]
- ISBN 978-3-936896-40-4 [0004]
