DE2729734A1 - Sonnenkollektor - Google Patents

Sonnenkollektor

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DE2729734A1
DE2729734A1 DE19772729734 DE2729734A DE2729734A1 DE 2729734 A1 DE2729734 A1 DE 2729734A1 DE 19772729734 DE19772729734 DE 19772729734 DE 2729734 A DE2729734 A DE 2729734A DE 2729734 A1 DE2729734 A1 DE 2729734A1
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Hellmut Gutmann
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Elco Oel & Gasbrenner
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    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/70Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed through tubular absorbing conduits
    • F24S10/73Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed through tubular absorbing conduits the tubular conduits being of plastic material
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/50Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed between plates
    • F24S10/502Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed between plates having conduits formed by paired plates and internal partition means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24S70/00Details of absorbing elements
    • F24S70/60Details of absorbing elements characterised by the structure or construction
    • F24S70/65Combinations of two or more absorbing elements
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S80/00Details, accessories or component parts of solar heat collectors not provided for in groups F24S10/00-F24S70/00
    • F24S80/30Arrangements for connecting the fluid circuits of solar collectors with each other or with other components, e.g. pipe connections; Fluid distributing means, e.g. headers
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Description

  • Sonnenkollektor
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Sonnenkollektor, der aus mehreren parallel zueinander verlaufenden und über Sammelleitungen miteinander verbundenen Kanälen gebildet ist.
  • Kollektoren zur Ausnutzung der als umweltfreundlich,unerschöpflich und zukunftssicher anerkannten Sonnenenergie sind bereits in einer grossen Anzahl unterschiedlicher Ausgestaltungen bekannt und haben sich zur Umwandlung der Strahlungsenergie der Sonne in thermische Energie in der Praxis auch bereits bewährt.
  • Vielfach werden dazu von einem aufheizbaren Medium durchströmte rohre aus Metall ode korrosionsbeständigem Kunststoff verwendet,das durch die elektromagnetische Strahluny erwärmt und unmittelbar einen Verbraucher oder einem Wärmetauscher zugeführt wird.
  • Die bisher bekanntgewordenen Sonnenkullektoren sind jedoch sehr bauaufwendj , und damit teuer, da die von dem zu erwärmenden Medium durchströmten Rohre in Glaskästen angeordnet sind. Ausserdem ist über den Kollektoren eine Abdeckung und unter diesen eirle Isolierung angebracht. Vor allem aber ist der Wirkungsgrad diese Kollektoren gering, da die zugeführte Strahlungsenergie nur mangelhaft ausgenutzt wird. Zunächst werden nämlich die Sonnenstrahlen in zwischen den Rotoren verlaufenden Absorberplatten gesammelt, von denen die Wärmeenergie in diese und das strömende Medium übertragen werden muss. Verluste sind dabei unvermeidbar, so dass trotz des grossen Bauaufwandes ein wirtschaftlicher Einsatz vielfach nicht gegeben iot.
  • Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, einen Sonnenkollektor der vorgenannten Art zu schaffen, der nicht nur auriserst einfach in der konstruktiven Ausgestaltung und damit wirtschaftlich herzustellen ist, sondern der auch einen hohen Wirkungsgrad bei minimaler Abstrahlung aufweist.
  • Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass unmittelbar in den von dem aufzuheizenden Medium durchströmten Kanälen des Kollektors ein Absorber in Form einer dünnwandigen dunklen Platte aus wärmeabsorbierendem Material angeordnet ist.
  • Besonders vorteilhaft ist es hierbei, um eine kompakte Bauweise zu erreichen, die Kanäle aus einer Stegdoppelplatte mit transparenter Oberfläche zu bilden und mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt zu versehen.
  • Die Absorber sollten zweckmässigerweise, um ebenfalls die Herstellungskosten niedrig zu halten, jeweils aus einer rechteckigen Platte bestehen, die in den Kanälen angeordnet sind, wobei eine besonders einfache und dennoch wirksame Anordnung der Absorberplatten dadurch zu erzielen ist, in dem diese diagonal verlaufend in die Kanäle lose eingelegt werden.
  • Nach einer andersartigen Ausgestaltung können die Absorberplatten auch U-förmig, V-förmig, halbkreisförmig oder mehrfach gewellt ausgebildet werden, nach können die Absorberplatten zweier benachbarter Kanäle gegeneinander versetzt angeordnet, vorzugsweise in in deren Seitenwände eingearbeitete Nuten gehalten werden oder diese sind durch Einfärben oder Ausspritzen djr Kanalinnenwandungen zzl bilden.
  • Arlyebracht ist es ferner, die Stegdoppelplatte sowie die in den Kanälen angeordneten Absorberplatten aus licht- und UV-beständigern Kunststoff herzustellen.
  • Die beiden Sammelleitungen sollten des weiteren zur Aufnahme der Stegdoppelplatte jeweils mit einem Flanschanschluss versehen sein, in den diese flüssigkeitsdicht eingesetzt ist, wobei es zweckmässig ist, die Sammelleitungen mit einem oder mehreren wahlweise einschiebbaren Absperrschieber, um die Wasserströmung steuern zu können, zu verstehen.
  • Die der Sonnenstrahlung zugekehrte Seite des Kollektors kann zur Steigerung des Wirkungsgrades mit einer transparenten Abdeckung, vorzugsweise aus transparentem Kunststoff, versehen sein. Ebenso kann der Kollektor auf der der Sonneiistrahlung abgekehrten Seite mit eiiier Wärmeisolierung ausgestattet werden.
  • Der gemäss der Erfindung ausgebiLdete Sonnenkollektor ist nicht nur sehr einfach in seinem Aufbau und damit oiine Schwierigkeiten und ohne grossen Fertigungsaufwand herstellbar, sondern auch sehr wirksam und vielseitig verwendbar. Wird nämlich urimittelbar in die von dem aufzuheizenden Medium, z.b. Wasser, durchströmten Kanäle jeweils ein Absorber in Form einer djinnwandigen dunklen Platte oder eines Streifens angeordnet, so wird die von diesen aufgefangene Sonnenenergie von dem Wasser nahezu verlustlow autgenognen. Dabei wird trotz des gelingen Bauaufwandes, da die Kanäle aus einer Stegdoppelplatte gebildet werden können, ein äusserst homer Wirkungsgrad erzielt.
  • Der hohe Wirkungsgrad erklärt sich daraus, ddss die Sonnenenergie, zusammengesetzt aus direkter und dif#user Strahlung, nahezu ungehindert durch das transparente Material des Sonnenkollektors hindurchtritt. Die einfallende Uv-Strahluiig wird dabei zum Grossteil absorbiert. Nach Passieren der Kollektoroberseite durchdringt die Sonnenstraiiiung das zu erwärmende Wasser und trifft auf die schwarzen Absorberstreifen aus dünnem Kunststoff auf.
  • Diese erwärmen sich, werden jedoch praktisch augenblicklich durch das sie umströmende Wasser gekiihlt. Der Wärmeiibergang von den Absorbern auf das Wasser erfolgt somit naliezu verlustlos, da keine Abstrahlverluste und keine den wärmeübergang hindernden Metallwande vorhanden sind.
  • Die selektive Wirkung das erfindungsgemäss ausgebildeten Sonnenkollektors ist wie folgt erklärlich: Die einfallende Sonnenenergie hat iii Spektralbereich von 0,3 bis 0,9 µm mit ca. 70 % Energieeinfall ihren grö-ssten Anteil.
  • Dieser wird von den schwarzen oder dunklen Absorbern aufgenommen und bei beispielsweise 300 Absorbertemperatur in langwellige ultrarote Strahlung von ca. 9,5 µm umgewandelt. Diese langwellige Strahlung wird aber vom Wasser schon nach wenigen Hundertstel Millimeter Laufzeit vollständig absorbiert, so dass keine Riickstrdhlung erfolgt und demzufolge auch keine lüGkstrahlverluste auftreten.
  • Der hohe Wärmeleitwiderstand des transparenten Kunststoffes, aus dem die Stegdoppelplatte zweckmässigerweise besteht, hat in Verbindung mit der nahezu laminaren Wasserströmung zur Folge, dass die Wärmeverluste nacii aussen minimal bleiben.
  • Daraus resultiert ein mit konventionellen Methoden bisher nicht erreichter extrem hoher Wirkuw sgrad, insbesondere in dem Temperaturbereich von ca. 300C. Der torschlagsgemäss ausgebildete Sonnenkollektor ist daher vor allem zur Erwärmung von Badewasser für Schwimmbäder in hervorragender Weise geeignet.
  • Allein durch seinen Autbau ist der Kollektor gemäss der Erfindung im unteren Temperaturbereich mindestens ebenso wirksam wio die bekannten Metallkollektoroll, die eine aufwendigo Doppelverglasung und rückseitige Wärmeisolierung benötigen und z.B. bei Pumpenausfall oder Erreichen der gewünschten Badetemperatur, d.h. bei hohem Energieeinfall und blockierter Nutzung sind ferner keine aufwendigen Sicherheitseinrichtungen nötig.
  • In diesem Fall werden zwar die eingelegten Absorberstreifen extrem heiss, der Kollektor Selbst erträgt jedoch 700C und mehr ohne jeden Schaden. Sicherheitsventile, Expansionsgefässe u.s.w.
  • erübrigen sich, die Installation wird einfacher und damit preisgünstiger als bei den bekannten vergleichbaren Kollektoren.
  • Der erfindungsgemässe Sonnenkollektor ist demnach preisgünstig in der Herstellung, da keine Wärmetauscher, Druckbegrenzer und Expansionsgefässe benötigt werden, wirtschaftlich im Betrieb, korrosionssicher und weist einen hoben Wirkungsgrad auf £ so dass eine vielseitige Verwendbarkeit, insbesondere zum Aufheizen von Badewasser fiir Schwimmbäder,gewährleistet ist.
  • Weitere Einzelheiten des gemäss der Erfindung ausgebildeten Sonnenkollektors siiid den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen, die nachfolgend im einzelnen erläutert sind.
  • zu entnehmen. ijierbei zeigt: Fig, 1 einen Sonnenkollektor in perspektivischer Darstellung mit in Kanäle eingelegten Absorbern, Fig. 2 einen Sonnenkollektor nach Fig. 1 in einem achssenkrechten Schnitt, Fig. 3 einen Teil des Sonnenkollektors jiach Fig. 2 in Draufsicht, Fig. 4 einen Teilschnitt durch den Sonnenkollektor nach den Fig. 2 und 3, Fig. 5 den SonnenkoLlektor nach den Fig. 2 bis 4 im Schnitt in verkleinertem Masstab und Fig. 6 bis 10 andersartige Ausgestaltung der Absorber bei dem Sonnenkollektor nach Fig. 2.
  • Der in Fig. 1 in perspektivischer Darstellung gezeigte und mit 1 bezeichnete Sonnenkollektor besteht aus einer Stegdoppelplatte 2 aus transparentem Kunststoff. die mit mehreren, an einen Verbraucher angeschlossenen Kanälen 3, 4, 5... mit reclteckigem bzw. quadratischem Querschnitt versehen ist. Der Kanal 3 ist hierbei als Endkanal etwa dooppelt so breit bemessen wie die Kanäle 4 und 5; ist es jedoch ohne weiteres möglich, alle Kanäle rechteckig oder quadratisch zu gestalten. Auf diese Weise ist eine optimale Ausnutzung der Stegdoppelplatte 2 gegeben.
  • Zur Umwandlung der durch die Pfeile 1() dargestellten Sonnenstrahlung in Wärmeenergie ist in jedem der Kanäle 3, 4, 5 ...
  • ein Absorber 6 bzw. 7 aus einem dunklen Werkstoff, vorzugsweise schwarz eingefärbtem Kunststoff angeordnet. Die Absorber 6 und 7 sind platten- bzw. streifenförmig ausgebildet uiid lose diagonal in die Kanäle 3, 4, 5 ... eingelegt. so dass der Kollektor 1 lediglich durch Einschieben der ziigesciiiiLttenen Absorberstreifen 6 und 7 in die Kanäle 3, 4, 5 ... herzustellen ist Das zu erwärmende Wasser, das die Kanäle 3, 4 5 ..., durch eine Pumpe gefördert, durchströmt, iiiinrnt die voii dn Absorbern 6 und 7 aufgefangene Sonnenenergie 10" nahezu verlustlos auf. Dass ein Teil 10' der Sonnenstrahlen 10 durch die Stegdoppelplatte 2 reflektiert wird ist unvermeidbar und un-erheblich, der grössere Teil der Sonnenenergie 10" wird jedoch unmittelbar dem die Absorber 6 und 7 umströmenden Wasser zugeführt, so dass diese augenblicklich gekühlt werden und der Wärmeübergang somit verlustlos erfolgt und auch keine Abstrahlverluste austreten.
  • Der iii dell Fig. 2 bis 5 dorgestellte Sonnenkollektor 21 sowie die weiteren Ausführungsvarianten gemäss den Fig. 6 bis 10 sind in gleicher Weise ourgebaut. In eint Stegdoppelplatte 22 sind hierbei wiederum Kanäle 23, 24, 25 ... mit rechteck-igem bzw. quadratischem Querschnitt eingeformt, in denen Absorber angeordnet sind. bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2 bis 5 sind die Absorber 26 und 27 aus dunklen Kunststoffstreifen gebildet, die diagonal lose in die Kanäle 23, 24, 25 ... eingelegt sind.
  • Die Kanäle 23, 24, 25 ... sind hierbei an zwei Sancelleitungen 28 und 29 angeschlossen, die die Stegdopielplatte 22 seitlich begrenzen. Zu deren Verbindung mit den Sammelleitungen 28 und 29 sind diese, wie es in Fig. 2 dargestellt ist,mit Flanschanschlüssen 32 ausgestattet, in denen die Stegdoppelplatte 22 eingesteckt und gegebenenfalls eingeklebt iat. Dichtungen 33 gewährleisten dabei, dass eine flüssigkeitsdichte Verbindung gegeben ist. Mittels in den Sammelleitungen 2i3 und 29 angeordneten Absperrscheiben 34 kann die in Fig. 5 strichpunktiert eingezeichnete Wasserströmung 3O, die über in die Sammelleitungen 28 und 29 eingearbeitete Anschlussöffnungen 31 in die Kanäle 23, 24, 25 eintreten kann, gesteuert werden.
  • Die von den von dem zu erwärmenden Wasser umspülten Absorberplatten 26 und 27 aufgenommene Sonnenenergie wird somit unmittelbar an das Wasser abgegeben, so dass der Wärmeübergang verlustlos erfolgt und ein hoher Wirkungsgrad gegeben ist.
  • Bei den Ausfehrungsvarianten nach den Fig. 6 bis 10 sind die Absorber jeweils unterschiedlich ausgebildet.
  • Nach Fig. 6 sind die in die Kanäle 2@ eingesetzten Absorber 41 U-förmig gestaltet. Gemäss den Fig. 7 und 8 können die Absorber 42 bzw. 43 aber auch als Kreisringabschnitt oder V-förmig bzw.
  • mehrfach gewellt ausgebildet werden. Bei der Ausgestaltung nach Fig. 9 sind Absorberplatten 44 waagerecht in den Kanälen 23 der Stegdoppelplatte 22 angeordnet. Dazu sind in diese von Kanal zu Kanal versetzt zueinander Nuten 45 eingearbeitet, in denen die Absorberplatten 41 gehalten sind. Ausserdem ist bei disem Ausführungsbeispiel uber dem Kollektor 41 eine Wärmeabdeckung 46 und unter diesem eine Wärmeisolierung 47 vorgesehen. Auf diese Weise sind die Abstrahlverluste weiter zu verlingern.
  • Gemäss Fig. 10 besteht der Absorber 48 aus einem dunklen Farbanstlich, der auf die der Sonnenstrahlung usgesetzten Innenwände der Kanäle 23 aufgebracht ist. Die Stegdoppelplatte 22 ist dazu zweiteilig ausgebildet, wobei deren Oberteil 22' vor dem Aufbringen des Farbenstriches abgenommen werden kann.
  • L e e r s e i t e

Claims (12)

  1. P a t e n t a n b p r ii c h e 1. Sonnenkollektor, der aus mehreren parallel zueinander verlaufenden und uber Sammelleitungen miteinander verbundenen Kanälen gebildet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass unmittelbar in den von dem aufzuheizenden Medium durcluströmten Kanälen (3, 4, 5: 23, 24, 25) des Kollektors (1: 21) ein Absorber (6, 7t 26, 27: 41: 42: 43t 44: 48) in Form einer dünnwandigen dunklen Platte aus wärmeabsorbierendem Material angeordnet ist.
  2. 2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass die Kanäle (2, 4, 5; 23, 24, 25) aus einer Stegdoppelplatte (2; 22) mit transparenter Oberfläche gebildet siiid und rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen.
  3. 3. Sonnenkollektor nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Absorber (6, 7: 26, 27: 41; 42: 43; 44: 48) jeweils aus einer rechteckigen Platte bestehen,die in den Kanälen (3, 4, 5: 23, 24, 25) angeordnet sind.
  4. 4. Sonnenkollektor nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass die Abaorberplatten (6, 7; 26, 27) diagonal verlaufend in die Kanäle (3, 4, 5i 23, 24, 25) lose cin(eleyt sind.
  5. 5. Sonnenkollektor nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Absorberplatten (41; 42; 43) U-förmig, V-förmig, halbkreisförmig oder mehrfach gewellt ausgebildet sind.
  6. 6. Sonnenkollektor nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass die AbsorberpiaLten (44) zweier benachbarter Kanäle (23) gegeneinander versetzt angeordnet, vorzugsweise in in deren Seitenwände angeordneten Nuten (45) gehalten sind.
  7. 7. Sonnenkollektor nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Absorberplatten (48) durch Einfärben oder Ausspritzen der Kanalinnenwandungen gebildet sind.
  8. 8. sonnenkollektor nach Anspruch 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Stegdoppelplatte (2; 22) sowie die in den Kanälen (3, 4, 5t 23, 24, 25) angeordneten Absorberplatten (6, 7: 26, 27; 41; 42; 43; 44; 48) aus licht- und UV-beständigem Kunststoff hergestellt sind.
  9. 9. Sonnenkollektor nach Anspruch 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die beiden Sallunelleitungen (28, 29) zur Aufnahme der Stegdoppelplatte (22) jeweils mit einem Flanschanschluss (32) versehen sind, in den diese flüssigkeitsdicht eingesetzt ist.
  10. 10. Sonnenkollektor nach Anspruch 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass die Sammelleitungen (28, 29) mit einer oder mehreren wahlweise einsetzbaren Absperrscheibe (34) versehen sind
  11. 11. Sonnenkollektor nach Ansprudi 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass die der Sonnenstrahlung (10) zugekehrte Seite des Kollektors (21) mit einer transparenten Abdeckung (46) vorzugsweise aus transparentem Kunststoff versehen ist.
  12. 12.Sonnenkollektor nach Anspruch 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass der Kollektor (1, 21) auf der der Sonnenstrahlung (10) abgekehrten Seite mit einer Wärmeisolierung (47) versehen ist.
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