DE2833241A1 - Flat solar collector panel using sheet of water as heat trans. medium - is roughened black PVC or PMMA film or sheet over which water flows - Google Patents

Flat solar collector panel using sheet of water as heat trans. medium - is roughened black PVC or PMMA film or sheet over which water flows

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Abstract

Solar collector of relatively flat design is adapted to collect solar energy in relatively low temp. range. It operates by exploiting the selective action of water in that the water (used as heat transfer medium) flows in a layer immediately over that side of the absorber which faces the sun, thereby preventing sec. heat loss of the absorber towards the environment without appreciably affecting solar irradiation of the absorber. The absorber comprises a single panel or foil of homogeneously black-coloured plastics, pref. PVC or PMMA with that surface facing the sun being roughened or matte.

Description

Sonnenkollektor für den NiedertemperaturbereichSolar collector for the low temperature range

Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor in Flachbauweise zur Energiegewinnung im Niedertemperaturbereich.The invention relates to a solar collector in flat design for Energy generation in the low temperature range.

Derartige Sonnenkollektoren haben die Aufgabe, die auf der Erdoberfläche auftreffende Sonnenenergie, unter weitgehender Vermeidung von Energieverlusten, in nutzbare Wärmeenergie umzuwandeln und diese an ein Transportmedium abzugeben, das in einem Kreislauf die Wärme vom Sonnenkollektor zu einem Verbraucher transportiert. Um dabei einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, muß einerseits die Sonnenenergie möglichst ungehindert in den Kollektor einfallen und dort absorbiert werden, andererseits ist die sekundäre Wärmeabgabe an die Umgebung weitgehend zu verhindern.Such solar panels have the job of being on the earth's surface incident solar energy, while largely avoiding energy losses, convert it into usable thermal energy and transfer it to a transport medium, that transports the heat from the solar collector to a consumer in a circuit. In order to achieve a high level of efficiency, on the one hand solar energy must be used fall into the collector as unhindered as possible and be absorbed there, on the other hand the secondary heat release to the environment is to be largely prevented.

Zu diesem Zweck werden bereits Sonnenkollektoren eingesetzt, die im wesentlichen aus folgenden Teilen bestehen: schwarzer Absorber mit Durchströmungskanälen, durchsichtige Abdeckung, rückwärtige Wärmeisolierung und Rahmen. Der schwarze Absorber wird durch die eingestrahlte Sonnenenergie aufgeheizt und überträgt einen Teil seiner Wärme mittels Wärmeleitung an das, durch die hinter der Absorberfläche liegenden Durchströmungskanäle fließende Transportmedium (Nutzwärme). Die übrige Wärme geht durch die über der Absorberfläche liegende Abdeckung und durch die rückwärtige Isolierung verloren (Verlustwärme). Durch Berechnungen wurde ermittelt, daß bei entsprechend gut ausgeführter Isolierung der Rückseite, der größte Teil der Wärmeverluste in der Abdeckung auftritt, und zwar durch Wärmeabstrahlung des Absorbers (Zeitschrift "Physikalische Blätter" März 1978, Seiten 110 bis 113).For this purpose, solar panels are already being used, which are im essentially consist of the following parts: black absorber with flow channels, clear cover, rear thermal insulation and frame. The black absorber is heated up by the radiated solar energy and transfers part of it Heat by means of heat conduction to the, through the lying behind the absorber surface Transport medium flowing through flow channels (useful heat). The rest of the heat goes through the cover over the absorber surface and through the rear insulation lost (heat loss). Calculations have shown that with Well-executed insulation of the back, most of the heat loss in the cover occurs due to heat radiation from the absorber (magazine "Physikalische Blätter" March 1978, pages 110 to 113).

Daraus folgt, daß der sekundären Wärmeabgabe des Kollektors mit zwei Maßnahmen wirkungsvoll begegnet werden kann: - eine für Sonnenstrahlung durchlässige, für Wärmestrahlung jedoch undurchlässige Schicht (selektive Schicht) unmittelbar über dem Absorber, - eine Senkung des Temperaturgefälles, das die Wärmeverluste verursacht.It follows that the secondary heat output of the collector with two Measures can be effectively countered: - a solar radiation permeable, but immediately impermeable to thermal radiation (selective layer) above the absorber, - a lowering of the temperature gradient, which the heat loss caused.

Bisher verwendete selektive Beschichtungen sind jedoch relativ teuer und empfindlich. Ein geringes, die Wärmeverluste verursachendes Temperaturgefälle wird bei herkömmlichen Kollektoren nur durch eine niedrige Betriebstemperatur erreicht, wobei jedoch vom Verbraucher häufig gewisse Grenzen nach unten gesetzt sind.However, the selective coatings used to date are relatively expensive and sensitive. A small temperature gradient that causes heat loss is only achieved with conventional collectors through a low operating temperature, however, certain limits are often set downwards by the consumer.

Es ist bereits bekannt, daß durch Einbringen einer Strömungszone über der Wärmesammelzone die Wärmeverluste geringfügig gesenkt werden können (Patentschrift DT 26 17 324 A1).It is already known that by introducing a flow zone over the heat accumulation zone the heat losses can be reduced slightly (patent specification DT 26 17 324 A1).

Hierbei handelt es sich allerdings um eine Strömungszone, die der Zuführung des Transportmediums zu einer mit Partikeln gefüllten Wärmesammelzone dient, wobei durch den Raumbedarf der Partikel, der Transportmediumsinhalt der Strömungszone größer ist, als der der Wärmesammelzone, wodurch das iransportmedium in der Strömungszone so langsam fließt, daß es genügend Zeit hat, sich merklich zu erwärmen und dadurch der Verlustmindernde Effekt teilweise verloren geht.However, this is a flow zone that the Feeding the transport medium to a heat collecting zone filled with particles serves, whereby the transport medium content of the flow zone due to the space requirement of the particles is larger than that of the heat collecting zone, which means that the transport medium is in the flow zone flows so slowly that it has enough time to noticeably warm up and thereby the loss-reducing effect is partially lost.

Neben dem oben beschriebenen, gibt es noch eine Reihe anderer Flachkollektoren, die auf eine bessere Ausnutzung der Sonnenenergie hinzielen, jedoch einen aufwendigeren und damit kostspieligeren Aufbau besitzen (z.B. Patentschriften P 24 02 999.0-13, P 26 01 976.1 und P 26 28 557) Da der breitangelegten Einführung der Sonnenenergietechnik vor allem wirtschaftliche Erwägungen im Wege stehen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Sonnenkollektor zu entwickeln, der eine Erhöhung des Wirkungsgrades gegenüber herkömmlichen Kollektoren aufweist, sich dabei jedoch durch einen einfachen Aufbau und unkomplizierten Betrieb auszeichnet.In addition to the one described above, there are a number of other flat-plate collectors, aiming at a better use of solar energy, but a more expensive one and thus have a more expensive structure (e.g. patent specifications P 24 02 999.0-13, P 26 01 976.1 and P 26 28 557) Because of the broad introduction solar energy technology is mainly due to economic considerations the invention has the object to develop a solar collector that has a Increasing the efficiency compared to conventional collectors has thereby however, it is characterized by a simple structure and uncomplicated operation.

Anregung zur Lösung dieser Aufgabe war das Absorptionsspektrum von Wasser, aus dem ersichtlich ist, daß Wasser die oben beschriebene selektive Eigenschaft besitzt, d.h. eine Schicht Wasser, die sich unmittelbar über dem Absorber befindet, den größten Teil der Sonnenstrahlung hindurchläßt, für Wärmestrahlung im Niedertemperaturbereich jedoch undurchlässig ist. Eine weitere Erkenntnis ist die, daß das Temperaturgefälle, das zu den Wärmeverlusten durch die Abdeckung führt, verringert werden kann, indem man in den Verlustwärmestrom ein Bauteil legt, das durch das einströmende Transportmedium gekühlt wird. Damit sinkt auch die absolute Temperatur in diesem Bereich, was nach dem Stefan-Bolzmannschen Gesetz eine verminderte Wärmeabstrahlung zur Folge hat.The suggestion for solving this problem was the absorption spectrum of Water from which it can be seen that water has the selective property described above possesses, i.e. a layer of water that is directly above the absorber, lets through most of the solar radiation, for thermal radiation in the low temperature range but is impermeable. Another finding is that the temperature gradient, which leads to the heat losses through the cover can be reduced by a component is placed in the heat loss flow, which is caused by the inflowing transport medium is cooled. This also sinks the absolute temperature in this area, what after According to Stefan-Bolzmann's law, the result is reduced heat radiation.

Diese Überlegungen führten zu dem in der Zeichnung schematisch dargestellten Kollektor, bei dem das Transportmedium nicht durch Kanäle fließt, die unter dem Absorber liegen, sondern als Transportmedium dient Wasser, das durch zwei Zonen unmittelbar über dem Absorber fließt wqbei die beider Zonen sich dadurch unterscheiden, daB die Dicke der Zone2 ein mehrfaches der der Zone 1 beträgt " wodurch das hindurchströmende Wasser nur so kurz in der Zone 1 verweilt, daß es nur unwesentlich erwärmt wird, jedoch in Zone 2 lange ,:cnut: verweilt, um sich in gewünschter Weise aufzuheizen.These considerations led to what is shown schematically in the drawing Collector in which the transport medium does not flow through channels that are under the Absorber lie, but rather water serves as a transport medium, passing through two zones flows directly above the absorber where the two zones differ in that that the thickness of zone 2 is several times that of zone 1 "which means that the flowing through Water only stays in zone 1 for so short a time that it is only heated insignificantly, however, in zone 2,: cnut: lingers for a long time in order to heat up in the desired manner.

Die vom Absorber nach oben abgegebene Wärme wird vom Wasser in Zone 2 vollständig aufgenommen und zum größten Teil als Nutzwärme abgeführt. Der Rest wird durch Wärmeleitung an Zone 1 übertragen, wo wiederum ein Teil der Erwärmung des Wassers dient und so in Zone 2 zurücktransportiert wird.The heat given up by the absorber is transferred to the zone by the water 2 completely absorbed and for the most part dissipated as useful heat. The rest is transferred by conduction to zone 1, where in turn part of the heating of the water and is thus transported back to Zone 2.

Wärmeverluste treten also nur von der relativ kühlen Zone 1 durch die Abdeckung und vom Absorber durch die rückwärtige Isolierung auf.Heat losses only occur from the relatively cool zone 1 the cover and from the absorber through the rear insulation.

Verluste, die dadurch auftreten, daß die eingestrahlte Sonnenenergie von der untersten Deckscheibe, der Trennscheibe und vom Transportmedium absorbiert wird, bevor sie den Absorber erreicht, dienen direkt der Erwärmung des Transportmediums und werden somit ebenfalls nutzbar gemacht.Losses that occur as a result of the radiated solar energy absorbed by the lowest cover plate, the separating plate and the transport medium before it reaches the absorber, are used directly to heat the transport medium and are thus also made usable.

Die Anschlüsse des Kollektors sind so zu wählen, daß der Wasserauslauf an der höchsten Stelle der Zone 2 liegt, also dort, wo sich durch das Schwerkraftprinziip das wärmste Wasser sammelt.The connections of the collector are to be chosen so that the water outlet is at the highest point of zone 2, i.e. where, due to the principle of gravity collects the warmest water.

Bei Stillstand des Transportmediurn-Kreislaufs wird die Wärme nicht mehr aus Zone 1 in Zone 2 zurücktransportiert, sondern nach außen hin abgegeben. Dadurch ist die Gefahr einer Uberhitzung bei extremer Sonneneinstrahlung und Ausfall der Kreislaufregelung (Leerlauftemperatur) gering.When the transport medium cycle comes to a standstill, the heat is not more is transported back from zone 1 to zone 2, but released to the outside. This means there is a risk of overheating in the event of extreme sunlight and failure the circuit control (idle temperature) is low.

Der Absorber besteht aus einer einfachen, ebenen Platte oder Folie aus homogen schwarz eingefärbtem Kunststoff, vorzugsweise PVC oder Polymethylmetacrylat, deren sonnenzugewandte Oberfläche matt oder rauh ist und einen hohen Absorptionsgrad für Sonnanstrahlung aufweist.The absorber consists of a simple, flat plate or foil made of homogeneous black colored plastic, preferably PVC or polymethyl methacrylate, whose surface facing the sun is matt or rough and has a high degree of absorption for solar radiation.

Die Trennscheibe besteht aus einem transparentem Kunststoff, vorzugsweise Polymethylmetacrylat, um einerseits die eingestrahlte Sonnenenergie durchzulassen, andererseits eine gewisse Wärmeisolation zwischen Zone 1 und Zone 2 zu erhalten.The cutting disc is made of a transparent plastic, preferably Polymethyl methacrylate, on the one hand to allow the radiated solar energy to pass through, on the other hand, to maintain a certain thermal insulation between zone 1 and zone 2.

Die mit dieser Erfindung erzielbaren Vorteile sind insbesondere: - ein relativ hoher Wirkungsgrad während des Betriebes, - eine relativ niedrige Leerlauftemperatur bei Ausfall der Regelung, - der Absorber ist durch seinen einfachen Aufbau billig herstellbar, - der Absorber muß nicht aus Metall sein, sondern er kann beispielsweise aus einem homogen schwarz eingefärbten Kunststoff mit rauher oder matter Oberfläche gefertigt werden (keine Beschichtungsprobleme, kein Abblättern der Beschichtung, keine Antikorrosionszusätze zum Wasser erforderlich), - bei Verwendung von opak eingefärbtem Acrylglas als Absorber und transparentem Acrylglas als Abdeckung und Trennscheibe kann unter Ausnutzung der bekannt guten Verklebbarkeit von Acrylglas und der relativ einfachen Formgebung der gesammte Kollektor, ausgenommen die Isolierung, aus einem Material gefertigt werden (Vereinfachung der Herstellung, keine unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, geringes Gewicht).The advantages that can be achieved with this invention are in particular: a relatively high degree of efficiency during operation, - a relatively low idle temperature if the regulation fails, - the absorber is cheap due to its simple structure manufacturable, - the absorber does not have to be made of metal, but it can for example Made of a homogeneous black colored plastic with a rough or matt surface be manufactured (no coating problems, no peeling of the coating, no anti-corrosion additives to the water required), - when using opaque colored acrylic glass as absorber and transparent acrylic glass as cover and Separating disc can be made using the well-known good gluability of acrylic glass and the relatively simple shape of the entire collector, except for the insulation, be made of one material (simplification of manufacture, no different Coefficient of thermal expansion, low weight).

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Claims (7)

Patentansprüche: 1. Sonnenkollektor in Flachbauweise zur Energiegewinnung im Niedertemperaturbereich, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Wirkung des Wassers genutzt wird, indem das Transportmedium Wasser in einer Schicht unmittelbar über die sonnenzugewandte Seite des Absorbers fließt und dadurch die sekundäre Wärmeabgabe des Absorbers zur Umgebung hin verhindert, ohne jedoch dabei die Sonneneinstrahlung auf den Absorber wesentlich zu beeinträchtigen.Claims: 1. Flat solar collector for energy generation in the low temperature range, characterized in that the selective effect of the Water is used by the transport medium water in a layer immediately flows over the sun-facing side of the absorber and thereby the secondary heat emission of the absorber to the environment, without, however, the solar radiation to affect the absorber significantly. 2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Transportmedium Wasser derart in zwei Zonen über den Absorber strömt, daß Wärmeverluste durch die Abdeckung nur von der an den Wasserzulauf angeschlossenen kühleren Zone 1 an die Umgebung auftreten und so ein Teil der sonst als Verlustwärme abgegebenen Energie der Erwärmung des Transportmediums dient und dadurch nutzbar gemacht werden kann.2. Solar collector according to claim 1, characterized in that the The transport medium water flows over the absorber in two zones in such a way that heat is lost by covering only the cooler zone connected to the water inlet 1 to the environment and so some of the heat otherwise emitted as waste heat Energy is used to heat the transport medium and can thus be made usable can. 3. Sonnenkollektor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der an den Wasserablauf angeschlossenen Zone 2 ein mehrfaches der an den Wasser zulauf angeschlossenen Zone 1 beträgt.3. Solar collector according to claims 1 and 2, characterized in that that the thickness of the zone 2 connected to the water drain is a multiple of Zone 1 connected to the water inlet is. 4. Sonnenkollektor-nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eingestrahlte Sonnenenergie, die von der unteren Deckscheibe, von der Trennscheibe und vom Transportmedium teilweise absorbiert wird, direkt der Erwärmung des Transportmediums dient.4. Solar collector according to claims 1 to 3, characterized in that that the radiated solar energy, from the lower cover pane, from the cutting pane and is partially absorbed by the transport medium, directly from the heating of the transport medium serves. 5. Sonnenkollektor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse des Kollektors so gewählt sind, daß der Wasserablauf an der höchsten Stelle der Zone 2 liegt.5. Solar collector according to claims 1 to 4, characterized in that that the connections of the collector are chosen so that the water drainage at the highest Position of zone 2. 6. Sonnenkollektor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber aus einer einfachen Platte oder Folie aus homogen schwarz eingefärbtem Nunststoff, vorzugsweise PVC oder Polymethylmetacrylat, deren sonnenzugewandte Oberfläche matt oder rauh ist und einen hohen Absorptionsgrad für Sonnenstrahlung aufweist.6. Solar collector according to claims 1 to 5, characterized in that that the absorber consists of a simple plate or sheet of homogeneously black colored Plastic, preferably PVC or polymethyl methacrylate, the surface facing the sun is matt or rough and has a high degree of absorption for solar radiation. 7. Sonnenkollektor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennscheibe zwischen den Zonen 1 und 2 aus einem transparenten Kunststoff, vorzugsweise Polymethylmetacrylat besteht.7. Solar collector according to claims 1 to 6, characterized in that that the separating disk between zones 1 and 2 is made of a transparent plastic, preferably consists of polymethyl methacrylate.
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