DE202022002104U1

DE202022002104U1 - Kosten- und energieeffizienter Sonnenkollektor mit regelbarem Stagnationsschutz

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Publication number: DE202022002104U1
Application number: DE202022002104.6U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-09-21
Filing date: 2022-09-21
Publication date: 2022-11-29
Anticipated expiration: 2032-09-22

Abstract

Ein thermischer Sonnenkollektor, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Absorberfläche durch einen Luftschleier gegenüber einer umgebenden Atmosphäre abgetrennt ist.

Description

Thermische Solar- oder Sonnenkollektoren können die Wärmeenergie der Sonne nutzen um fluide Medien wie beispielsweise (frostschutzhaltiges) Wasser oder Luft zu erwärmen. Dabei kann das Medium Temperaturen erreichen, die über denen der Umgebung liegen. Ein Temperaturausgleich zwischen erwärmten Medium und Umgebung ist dabei für einen effizienten Betrieb zu vermeiden. Auf der sonnenabgewandten Seite und dem Rahmen des Sonnenkollektors kann dies einfach mit üblichen Dämmmaterialien umgesetzt werden.
Eine große Herausforderung üblicher thermischer Sonnenkollektoren ist die eingesetzte Dämmung der Absorberfläche gegenüber der umgebenden Atmosphäre in Richtung der auftreffenden Sonnenstrahlen. Derartige Dämmungen sind meist schwer, teuer, konstruktions-, produktions- und montageaufwendig, und führen durch ihre Ineffizienz zu Energieverlusten. Nicht zuletzt durch über die Zeit einsetzende Verschmutzung und Materialalterung wird die bauartbedingte Ineffizienz über die Zeit weiter erhöht.
Da eine übliche Dämmung über der Absorberfläche auch bei hohen Umgebungstemperaturen wirkt, kann das benutzte Medium über dessen Verdunstungs- oder Zersetzungstemperatur erwärmt, und so das Medium oder die Ertragsleistung durch Stagnation beeinträchtigt werden. Dieser Umstand reduziert in der Praxis oftmals auch die sinnvoll einsetzbare Absorberfläche.
Durch die Trennung zweier Lufträume mittels eines möglichst laminaren Luftschleiers wird bereits unter anderem der Heiz- oder Kühlleistungsbedarf für Gebäude und Geräte reduziert. Ein solcher Luftschleier vermindert einerseits Wärmeenergieverluste durch Konvektion, nicht aber die Übertragung von Wärmestrahlung. Dafür wird ein gezielt eingesetzter Luftstrahl oder -schleier erzeugt, der der Konvektion zweier Luftmassen entgegen wirkt. Dabei entscheidend sind die Temperaturen, Volumenströme und -richtungen, sowie die Drücke der beschleunigten und der beiden voneinander zu trennenden Luftmassen.
Der Einsatz eines solchen Luftschleiers zwischen der Absorberfläche (1), bzw. der Luftmasse in unmittelbarer Umgebung eines Sonnenkollektors und der weiterhin umgebenden Atmosphäre kann die Verluste durch Konvektion mindern ohne die Wärmestrahlung der Sonne zu beeinträchtigen.
Ein für die vorherrschenden Bedingungen ausgelegter Ventilator (2) kann einen für den benötigten Schleier geeigneten Luftstrom erzeugen. Dafür müssen u.a. etwaig vorhandene Partikeln, Wärme und Feuchtigkeit zum langfristigen Betrieb berücksichtigt werden. Da der Energiebedarf eines Ventilators (2) gegenüber der erreichbaren Energieeinsparungen durch den Einsatz eines Sonnenkollektors vergleichsweise gering ist, kann bereits ein im Vergleich kleines Photovoltaikmodul (4) ausreichen um dessen zusätzlichen Energiebedarf zu decken. Da durch die für den Luftschleier notwendigen konstruktiven Maßnahmen die nutzbare Absorberfläche (1) ohnehin eingeschränkt wird, kann diese nicht gedämmte Fläche für die Installation eines solchen Photovoltaikmoduls (4) genutzt werden. Da Photovoltaikmodule möglichst kühl betrieben werden sollten ist eine ungedämmte, also nicht-Luftschleier überströmte Montage angezeigt.
Es müssen geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um Beeinträchtigenden Einflüssen, wie z.B. Wind oder Regen zu begegnen. Dafür muss bei der Aussetzung des Sonnenkollektors gegenüber derartiger Witterungen u.U. ein/e Wind- (3), Regen-, Schnee- und Schmutz- (6) -fang/-ableitung eingesetzt werden. So kann eine finale Installation auf einem Dach oder einer Fassade ausgeführt werden.
Ein so konstruierter Sonnenkollektor kann einen Temperaturausgleich zwischen der Absorberfläche (1) und der Umgebung regel- bzw. steuerbar mindern ohne eine direkte Aussetzung dieser Absorberfläche (1) gegenüber der Sonnenstrahlung zu beeinträchtigen. Eine Überhitzung des Kollektors kann einfach verhindert werden und maximal einsetzbare Oberflächen ohne weitere konstruktive Maßnahmen umgesetzt werden. Durch eine Temperaturabhängige Regelung des Ventilators (2) kann die Stagnationstemperatur über gezieltes einsetzen eines Konvektionsverlustes über der Absorberfläche (1) begrenzt und so der Kollektor, sowie das Fluid vor Überhitzung geschützt werden.
Eine Verschmutzung der Oberfläche wirft keinen Schatten auf die Absorberfläche (1), sondern mindert die Energieausbeute nur über die Flächen- und Schmutz-spezifische Reduktion der Absorption, Erhöhung der Reflexion oder Reemission auftreffender Wärmestrahlung gegenüber der ursprünglichen Oberfläche. Die Dämmung durch einen Luftschleier wird des weiteren nicht durch Materialalterung, sondern nur über die Funktion eines Ventilators (2) beeinflusst.
Die zur Deckung des zusätzlichen Energiebedarfs notwendige Technik kann auch direkt im Sonnenkollektor integriert werden.
Durch eine einfache Konstruktion kann mit günstigen Mitteln ein Sonnenkollektor montiert werden. Die minimal notwendigen Materialien beschränken sich auf einfache Bleche oder (aufgrund der begrenzbaren Stagnationstemperaturen möglicherweise einsetzbaren) Kunststoffplatten (3), Rohre, Dämmstoff (7) für gegebenenfalls die Rückseite der Absorberplatte (1), den Rahmen und der Rohre, einen Ventilator (2) mit sinnvollerweise eingesetzten Hitzeschutzschalter (5) und deren Verkabelung mit einem Stromnetz oder ein zusätzlich installiertes Photovoltaikmodul (4).
Dämmfähiges Glas oder für Wärmestrahlung durchlässiges Plastik ist nicht zwingend notwendig. Dadurch kann ein geringes Kollektorgewicht realisiert werden, was auch den Transport und die finale Montage erleichtert.
Bezugszeichenliste
1-3:

(1): Absorber
(2): Ventilator
(3): Seitenwand, Windfang und Luftleitblech
(4): Optionales Photovoltaik-Modul
(5): Optionaler Hitzeschutzschalter
(6): Niederschlags- undSchmutzableitung
(7): Dämmung mit integrierter Medienführung

Claims

Ein thermischer Sonnenkollektor, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Absorberfläche durch einen Luftschleier gegenüber einer umgebenden Atmosphäre abgetrennt ist.
Ein thermischer Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Luftschleier einen laminaren Strömungsanteil aufweist.
Ein thermischer Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Luftschleier durch einen Abstand zwischen Luftstrom und Absorberfläche zu zirkulierender Luft zwischen Luftschleier und Absorberfläche führt.
Ein thermischer Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch aktive Steuerung oder einen passiven Hitzeschutzschalter die maximal erreichbare Absorbertemperatur bauartbedingt durch abschalten oder Regulierung des Luftschleiers begrenzt wird.
Ein thermischer Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Stromenergiebedarf über ein Photovoltaikmodul gedeckt wird.