DE2554243A1

DE2554243A1 - Solarkollektor

Info

Publication number: DE2554243A1
Application number: DE19752554243
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Seifried
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1975-12-03
Filing date: 1975-12-03
Publication date: 1977-06-08

Description

Solarkollektor
Die Erfindung betrifft einen Solarkollektor und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Solarkollektoren haben die Aufgabe, die von der Sonne empfangene Energie in Nutzwärme umzuwandeln, die dann beispielsweise zur Erwärmung von Luft oder Wasser dient.
Die bekannten Vorrichtungen bestehen im wesentlichen aus einem wärmeleitfähigen und Strahlung absorbierenden Flächenkörper (Absorber), wobei die der Strahlungsquelle zugewandte Flächenvorderseite (Absorptionsfläche) geschwärzt istq um eine möglichst hohe Absorption der auffallenden Strahlungsenergie zu erreichen. Die aufgenommene Energie wird auf der Rückseite des Flächenkörpers abgeleitet, beispielsweise mittels geeigneter Wärmeübertragungsmedien. Bei diesen Vorrichtungen besteht das technische Problem, daß ein Teil der auf die Absorptionsfläche auftreffenden Strahlungsenergie nicht absorbiert, sondern in Form von Wärmeenergie zurückgestrahlt wird und damit verloren geht. Man hat bereits versucht, diese Energieverluste zu verringern.
So zeigt eine aus einer superschwarzen Schicht bestehende Absorptionsfläche, die allerdings mittels einer konstruktiv aufwendigen Dünnschichttechnik aufgebracht werden muß, reduzierte Emission von Infrarotstrahlen.
Es wurde auch versucht, in einem bestimmten Abstand zur Absorptionsfläche eine Abdeckung aus Glas anzubringen, die zwar für das sichtbare Licht durchlässig, für die Wärmerückstrahlung jedoch undurchlässig ist. Hdndelsübliches Glas absorbiert allerdings einen großen Teil der Strahlung und verursacht bedeutende Energieverluste durch ein- oder mehrfache Reflexion; entspiegeltes Glas hingegen ist sehr kostspielig.
Darüberhinaus sind Abdeckplatten aus Glas sehr zerbrechlich und besitzen insbesondere bei der Abdeckung großer Absorptionsflächen hohes Gewicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Solarkollektors, der eine optimale Ausnutzung der auftreffenden Strahlungsenergie gewährleistet, ohne daß hierfür konstruktiv aufwendige Maßnahmen erforderlich sind.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Solarkollektor, bestehend aus einem Absorber, versehen mit wärmeübertragenden und -ableitenden Einheiten und aus einer Abdeckungseinheit zur Abdeckung der Absorptionsfläche. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Sammellinsen nebeneinander in und/oder auf einem Träger angeordnet sind, und daß eine parallel und zumindest annähernd deckungsgleich zum Träger verlaufende, Strahlung reflektierende Schicht zwischen den Sammellinsen und der Absorptionsfläche vorhanden ist, wobei die reflektierende Schicht lichtdurchlässige Durchbrechungen aufweist, die so angeordnet sind, daß die durch die Sammellinsen gebündelten Strahlen hindurchtreten.
Die Sammellinsen sind beispielsweise als sphärische Linsen, vorzugsweise flächendeckend in Wabenordnung, d.h. jede Linsenfläche hat die Form eines regulären Sechsecks, oder als Zylinderlinsen, vorzugsweise in Reihenordnung, angebracht. Die Brennweite der Linsen wird so gewählt, daß die durch die Linsen tretenden Strahlen vorzugsweise frühestens beim Durchgang durch die Durchbrechungen der reflektierenden Schicht oder örtlich danach eine Brennebene bilden.
Die Sammellinsen befinden sich in einer gekrümmten Fläche oder in einer Ebene, wobei letzteres bevorzugt ist.
Als Träger für die Sammellinsen dient eine strahlendurchlässige Folie oder Platte, beispielsweise aus Polymethylmethacrylat, Fluorpolymeren oder Polycarbonat, auf und/oder in der die Sammellinsen beispielsweise eingeprägt oder eingegossen sind. Es ist auch möglich, daß die Sammellinsen durch eine entsprechende Fassung gehalten werden. Die Größe der Durchbrechungen der reflektierenden Schicht wird vorzugsweise so gewählt, daß der gebündelte Strahl hindurchtreten kann, ohne daß am Rand der Durchbrechung Reflexionen auftreten. Um die Größe der Durchbrechung möglichst gering zu halten, wird der Abstand der reflektierenden Schicht zu den Sammellinsen so gewählt, daß die Brennebene der Sammellinsen und die reflektierende Schicht möglichst nahe beieinander liegen, wobei im Idealfall die Brennebene der Sammellinsen und die Durchbrechungen der reflektierenden Schicht in einer Ebene liegen. Wegen der in der Brennebene auftretenden hohlen Wärmeenergie muß darauf geachtet werden, daß das Material der reflektierenden Schicht ausreichend temperaturbeständig ist.
Der Reflektor, vorzugsweise eine Verspiegelung, reflektiert kurz- und langwollige Strahlung, vorzugsweise langwellige Strahlung, und besteht vorzugsweise aus einer Metallschicht, insbesondere aus einer Aluminiumschicht. Zwischen dem Träger der Sammellinsen und der reflektierenden Schicht befindet sich lichtdurchlässiges Material, beispielsweise Polymethylmethacrylat, Fluorpolymere bzw. Polycarbonat, oder ein Gas oder Vakuum. Vorzugsweise ist die reflektierende Schicht direkt auf der den Sammellinsen gegenüberliegenden Oberfläche des Trägers aufgebracht.
Als Absorber werden die üblichen Einrichtungen eingesetzt. So ist die auf die Strahlung hingerichtete Oberfläche schwarz, z.B. in Form einer schwarzen Beschichtung, die vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 0,2 bis 3,0 1u im wesentlichen totale Absorption zeigt.
Die Ableitung der aufgenommenen Energie auf der der Absorptionsfläche abgewandten Seite des Absorbers erfolgt beispielsweise mit einem in engem Kontakt mit dem Absorber stehenden Röhrensystem, durch das ein wärmeabführendes Medium, d.h. ein flüssiger oder gasförmiger Wärmeträger, geführt wird, wobei diese Vorrichtungsteile thermisch isoliert sind. Es ist auch möglich, rohrförmige Aussparungen im Absorber auszubilden, durch die der Wärmeträger geführt wird.
Die Absorberabdeckung befindet sich, vorzugsweise parallel und deckungsgleich, über der Absorptionsfläche des Absorbers, wobei die reflektierende Schicht der Absorptionsfläche zugewandt ist. Um eine Aufheizung des gebildeten Zwischenraumes möglichst gering zu halten, kann dieser Zwischenraum evakuiert sein, soweit die Vorrichtung, insbesondere die Absorberabdeckung, den hierbei auftretenden Kräften Stand hält. Bei einer großflächigen Absorberabdeckung befinden sich zwischen der reflektierenden Schicht und der Absorptionsfläche des Absorbers Abstützelemente, deren Oberfläche vorzugsweise verspiegelt ist.
Richtet man dieses System gegen die Sonnenstrahlen aus, so werden die Strahlen durch das Linsensystem gebündelt und durch die engen Durchbrechungen der reflektierenden Schicht hindurchgeleitet, wobei sie dann auf die Absorptionsfläche des Absorbers auftreffen. Die partielle Rückstrahlung der schwarzen Fläche wird fast vollständig von der reflektierenden Schicht zurückgeworfen, so daß Wärmeverluste nahezu vollständig ausgeschlossen sind.
Zur optimalen Ausnutzung der auffallenden Sonnenenergie muß die Vorrichtung nach dem jeweiligen Sonnenstand ausgerichtet werden. Während zur optimalen Verwendung von sphärischen Linsen eine exakte, dem Sonnenstand angepaßte Nachführung erforderlich ist, muß bei Einsatz von Zylinderlinsen, deren Achsen senkrecht zur Erdachse ausgerichtet sind, nur die von der Jahreszeit abhängige Deklination berUcksichtigt werden.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform im Schnitt, wobei der mittlere Teil der Platte herausgebrochen ist.
Figur 2 zeigt die Ausführung nach Figur 1 in Perspektive.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform in Perspektivdarstellung.
Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Vorrichtungen stellen bevorzugte Ausführungsbeispiele dar, ohne daß sich die Erfindung hierauf beschränkt.
In Figur 1 besteht die Abdeckungseinheit aus einer lichtdurchlässigen Kunststoffplatte oder Kunststoffolie 1, beispielsweise aus Polymethylmethacrylat, Fluorpolymeren oder Polycarbonat, und einer Spiegelschicht 2. Die eine Oberfläche 3 zeigt die Form eines Linsenmusters, während die der Spiegel schicht 2 benachbarte Oberfläche 4 plan ist. Die Spiegelschicht 2 weist Durchbrechungen 5 auf, durch die die von der Sonne kommenden, parallelen Lichtstrahlen 6 gebündelt hindurchtreten und auf die Absorptionsfläche 7 des Absorbers 8 auftreffen. Der zwischen der Linsenoberfläche 3 und der nächstliegenden Durchbrechung 5a vorhandene Abstand 9 entspricht etwa dem doppelten Krümmungsradius der brechenden Linsenfläche. In engem Kontakt mit dem Absorber 8 befinden sich Röhren 10, durch die das wärmeableitende Medium 11 geführt wird. Die Fläche 12 der Röhren 10 ist durch die Schicht 13 wärmeisoliert. Ist die Dicke 14 der Kunststoffplatte oder Kunststoffolie 1 beispielsweise 2 mm und ihr Brechwert n = 1,5, so ergibt sich für den Krümmungsradius der brechenden Li nsenfl äche eine Größe von 2/3 = 0,66 mm.
Die in Figur 2 in Perspektive gezeigte Ausführung nach Figur 1 weist in Reihe angeordnete Zylinderlinsen auf.
Die Durchbrechungen 5 sind schlitzförmig längserstreckend ausgeführt. Die Ziffern 1 bis 5, 7, 8, 10 bis 14 haben die gleiche Bedeutung wie in Figur 1.
In Figur 3 hat die Oberfläche 3a der Kunststoffplatte oder -folie 1 die Form sphärischer Linsen, die flächendeckend in Wabenform angeordnet sind. Die gegenüberliegende Oberfläche 4 ist plan. Die Durchbrechungen 5b der Spiegelschicht 2 sind lochförmig ausgeführt. In dem Absorber 8a, der aus dem gleichen Material besteht wie der Absorber 8 in Figur 1 und 2, sind rohrförmige Aussparungen 10a vorhanden, die mit Wärmeträger 11 gefüllt sind. Während die Absorptionsfläche 7 den Sonnenstrahlen ausgesetzt ist, ist die Fläche 15 des Absorbers 8a durch die Schicht 13 wärmeisoliert.
Zur Herstellung dieser Vorrichtung werden zwei Verfahren vorgeschlagen.
Das eine Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß'man a) den Zwischenraum zwischen einer Halterungsplatte mit planer Oberfläche und einer Halterungsplatte mit einer den Abdruck eines Linsenrasters aufweisenden Oberfläche mit einer polymerisierbaren Verbindung füllt und anschließend zu einem transparenten Kunststoff polymerisiert, so daß man nach Entfernen der beiden Halterungsplatten eine transparente Kunststoffplatte oder -folie erhält, deren eine Oberfläche plan ist und deren andere ein Linsenmuster aufweist, b) die plane Oberfläche der transparenten Kunststoffplatte oder -folie mit einer Verbindung beschichtet, die unter Einwirkung von Licht polymerisierbar ist, c) Licht mit einer geeigneten Wellenlänge durch die das Linsenmuster aufweisende Oberfläche hindurchstrahlt, wobei die auf der planen Oberfläche vorhandene Verbindung im Bereich des durchtretenden, gebündelten Lichtstrahles polymerisiert wird, d) den nicht polymerisierten Anteil der lichtempfindlichen Verbindung entfernt, e) die plane Oberfläche der transparenten Kunststoffplatte oder -folie durch Aufdampfen einer Metallschicht verspiegelt, f) den um die Stärke der polymerisierten Verbindung herausragenden Teil der Spiegelschicht entfernt, so daß Durchbrechungen im Bereich des Strahlenganges entstehen, g) die entstandene Absorberabdeckung oberhalb der Absorberfläche befestigt, wobei die Spiegelschicht der Absorberfläche zugewendet wird.
Das zweite Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man anstelle des ersten Verfahrensschrittes die eine Oberfläche einer planparallelen, thermoplastisch verformbaren, transparenten Platte oder Folie mit einem, vorzugsweise flächenfüllenden, Linsenmuster versieht, insbesondere durch Prägung mit einem Stempel. Danach werden die genannten Verfahrensschritte durchgeführt.
L e e r s e i t e

Claims

P A T E k T A N 5 P R 0 C H E 1. Solarkollektor, bestehend aus einem Absorber, versehen mit wärmeübertragenden und -ableitenden Einneigten, und aus einer Abdeckungseinheit zur Abdeckung der Absorptionsfläche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Sammellinsen nebeneinander in und/oder auf einem Träger angeordnet sind, und daß eine parallel und zumindest annähernd deckungsgleich zum Träger verlaufende Strahlung reflektierende Schicht zwischen den Sammellinsen und der Absorptionsfläche vorhanden ist, wobei die reflektierende Schicht lichtdurchlässige Durchbrechungen aufweist, die so angeordnet sind, daß die durch die Sammellinsen gebündelten Strahlen hindurchtreten.
2. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinsen als sphärische Linsen, vorzugsweise flächendeckend in Wabenordnung, ausgebildet sind.
3. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinsen als Zylinderlinsen, vorzugsweise in Reihenordnung, ausgebildet sind.
4. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite der Linsen einerseits und der Abstand der Linsen von der reflektierenden Schicht andererseits so gewählt werden, daß die Brennebene der Linsen und die Durchbrechungen der reflektierenden Schicht in einer Ebene liegen.
5. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Schicht aus einer Verspiegelung, vorzugsweise einer Metallschicht, insbesondere Aluminiumschicht, besteht.
6. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der reflektierenden Schicht und der Absorptionsfläche Stützelemente, vorzugsweise mit reflektierender, insbesondere verspiegelter, Oberfläche, vorhanden sind.
7. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinsen und ihr Träger einstückig sind.
8. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die reflektierende Schicht auf der den Sammellinsen gegenüberliegenden Oberfläche des Trägers befindet.
9. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Sammellinsen nebeneinander in einer Ebene befinden.
10. Verfahren zur Herstellung eines Solarkollektors nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man a) den Zwischenraum zwischen einer Halterungsplatte mit planer Oberfläche und einer Halterungsplatte mit einer den Abdruck eines Linsenmusters aufweisenden Oberfläche mit einer polymerisierbaren Verbindung füllt und anschließend zu einem transparenten Kunststoff polymerisiert, so daß man nach Entfernen der beiden Halterungsplatten eine transparente Kunststoffplatte oder -folie erhält, deren eine Oberfläche plan ist und deren andere ein Linsenmuster aufweist, b) die plane Oberfläche der transparenten Kunststoffplatte oder -folie mit einer Verbindung beschichtet, die unter Einwirkung von Licht polymerisierbar ist, c) Licht mit einer geeigneten Wellenlänge durch die das Linsenmuster aufweisende Oberfläche hindurchstrahlt, wobei die auf der planen Oberfläche vorhandene Verbindung im Bereich des durchtretenden, gebündelten Lichtstrahles polymerisiert wird, d) den nicht polymerisierten Anteil der lichtempfindlichen Verbindung entfernt, e) die plane Oberfläche der transparenten Kunststoffplatte oder -folie durch Aufdampfen einer Metallschicht verspiegelt, f) den um die Stärke der polymerisierten Verbindung herausragenden Teil der Spiegel schicht entfernt, so daß Durchbrechungen im Bereich des Strahlenganges entstehen, g) die entstandene Absorberabdeckung oberhalb der Absorberfläche befestigt, wobei die Spiegelschicht der Absorberfläche zugewendet wird.
11. Verfahren zur Herstellung eines Solarkol lektors nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man a) die Oberfläche einer planparallelen, thermoplastisch verformbaren, transparenten Platte oder Folie mit einem, vorzugsweise flächenfül lenden, Linsenmuster versieht, insbesondere durch Prägung mit einem Stempel, b) die plane Oberfläche der transparenten Kunststoffplatte oder -folie mit einer Verbindung beschichtet, die unter Einwirkung von Licht polymerisierbar ist, c) Licht mit einer geeigneten Wellenlänge durch die das Linsenmuster aufweisende Oberfläche hindurchstrahlt, wobei die auf der planen Oberfläche vorhandene Verbindung im Bereich des durchtretenden, gebündelten Lichtstrahles polymerisiert wird, d) den nicht polymerisierten Anteil der lichtempfindlichen Verbindung entfernt, e) die plane Oberfläche der transparenten Kunststoffplatte oder -folie durch Aufdampfen einer Metallschicht verspiegelt, f) den um die Stärke der polymerisierten Verbindung herausragenden Teil der Spiegelschicht entfernt, so daß Durchbrechungen im Bereich des Strahlenganges entstehen, g) die entstandene Absorberabdeckung oberhalb der Absorberfläche befestigt, wobei die Spiegelschicht der Absorberfläche zugewendet wird.