DE2900875C2

DE2900875C2 - Solarkollektor

Info

Publication number: DE2900875C2
Application number: DE2900875A
Authority: DE
Inventors: Sergio Brentonico Serapioni
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-12-05
Filing date: 1979-01-11
Publication date: 1984-04-05
Also published as: FR2454065A1; FR2454065B3; DE2900875A1; IT7830547A0; IT1101517B

Description

Die Erfindung betrifft einen Solarkollektor mit einem Gehäuse, das mit einer auffallende Sonnenstrahlung durchlassenden transparenten Abdeckscheibe, einem dazu parallelen Absorber und parallel zu der Abdeckscheibe mit mindestens zwei Innen-Glasscheiben mit gegenüber der Abdeckscheibe kleinerem Flächenmaß zwischen der Abdeckscheibe und dem Absorber versehen ist, sowie mit einem Strömungsweg für einen zu erhitzenden, gasförmigen Wärmeträger.

Soiarkoiiektoren dieser Art sind bekannt, z. B. aus der DE-OS 26 28 442. Die Verwendung von Sonnenenergie zum Beheizen von Arbeitsmitteln bis zu einer Temperatur unter 80⁰C ist bekannt und wird immer weiter als alternative Energiequelle entwickelt. Ein herkömmliches System zur Verwirklichung dieses Zweckes umfaßt Sammelplatten, beispielsweise schwarze oder geschwärzte, die die Sonnenstrahlung absorbieren können, sowie Mittel zur Abführung der Wärme von den Platten, wie zum Beispiel eine Anlage, die ein geeignetes Arbeitsmittel zum Austausch der Wärme mit den Platten in Umlauf bringt Ebenfalls bekannt ist es, den Wirkungsgrad dieser Systeme durch die Anordnung einer oder mehrerer Glasscheiben über den Platten zu verbessern, indem dadurch ein »Treibhauseffekt« erzeugt wird, der den Wärmeverlust herabsetzt. Die erziehen Wirkungsgrade sind aber nicht höher als 30 bis 40%, und zwar wegen der verschiedenen Verluste, von denen die wichtigsten auf Abstrahlung und Konvektion zurückzuführen sind.

Bei einem aus der US 40 86 909 bekannten Solarkollektor hat man den Wirkungsgrad dadurch verbessert, daß eier Luftstrom nach dem mäanderförmigen Durchströmen des oberen Teils des Kollektors geteilt wird und an beiden Flächen einer Absorberplatte vorbeiströmt. Abstrahlungsverluste, die im oberen Teil des Solrrkollektors auftreten, werden hierdurch jedoch nicht verringert.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines Solarkollektors der gattungsgemäßen Art durch Verringerung der vornehmlich durch Abstrahlung auftretenden Wärmeverluste wird in der DE-OS 27 01 805 vorgeschlagen, daß der in Strömungsrichtung des Mediums von ihm zuerst durchströmte Bereich des Kollektorgehäuses eine geringere Anzahl von Abdeckungen aufweist als die danach von ihm durchströmten Bereiche. Die Verluste durch Rückstrahlung, Konvektion und Wärmeleitung sollen von dem sich im Solarkollektor zunehmend erwärmenden Medium an die Umgebung durch die gestufte Anordnung von Abdeckungen in einem Raum mit stehender Luft oberhalb des Strömungskanals für das Medium reduziert werden. Diese bekannte Ausführung eines Solarkollektors konnte wegen zu geringer Wärmeaufnahme durch das Medium nicht voll befriedigen. Die Abdeckungen schirmen zwar gegen Wärmeabgabe durch das Medium ab, sie hindern andererseits aber auch die Wärmeeinstrahlung und -aufnahme durch das Medium.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Solarkollektor zu schaffen, bei dem die Wärmeverluste durch die transparente Abdeckscheibe hindurch an die Umgebung vermindert werden und dadurch der Gesamtwirkungsgrad des Solarkollektors erhöht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Solarkollektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der erfindungsgemäße Solarkollektor löst nicht nur die gestellte Aufgabe nach Herabsetzung der Wärmeverluste an die Umgebung sondern ermöglicht gleichzeitig eine Herabsetzung anderer Verluste, die bei Solarkollektoren auftreten, insbesondere Berührungsverluste. Ferner ermöglicht es der erfindLingsgemäße Solarkollektor, eventuell in Kombination mit Spiegelflächen, den für gewerbliche Zwecke ausreichenden Durchfluß eines Wärmeträgers, der auf Temperaturen bis zu 200⁰C und darüber erwärmt werden kann.

Der erfindungsgemäße Solarkollektor kann mit Luft oder Wasser als Wärmeträger für die Wärmeableitung eingesetzt werden.

Der Absorber zum Sammeln der Sonnenenergie kann eine schwarze oder geschwärzte Absorptionsfläche sein. Sie kann aber auch beispielsweise aus sovielen möglichst nahe zueinander angeordneten fotoelektrischen Zellen bestehen, wie zum Umwandeh der Sonnenstrahlen in elektrische Energie benötigt werden.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert.

F i g. 1 ist eine Schnittansicht eines »mit Luft« arbeitenden Solarkollektors mit Zwangumlauf im Innern;

Fig. 2 zeigt eine weitere Schnittansicht eines Solarkollektors ähnlich dem in Fig. 1, jedoch mit Innen-Glasscheiben unterschiedlicher Abmessungen.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen mit Luft betriebenen Colarkollektor dargestellt. Im Innern eines herkömmlichen Gehäuses 1 befinden sich ein geschwärzter Absorber 2, mit einem Substrat aus Isolierstoff Γ, eine C'bere transparente Abdeckscheibe 3 aus Glas oder Kunststoff und mindestens zwei Innen-Glasscheiben 4 und 5 parallel zu dem Absorber 2 und der Abdeckscheibe 3, die ebenfalls an dem Gehäuse 1 befestigt sind, jedoch so, daß sie s. h nicht über den gesamten Solarkollektor erstrecken. Mit 6, 7 und 8 sind drei Luftschichten bezeichnet, die von außen nach innen begrenzt sind von der Abdeckscheibe 3 und der oberen Innen-Glasscheibe 5, von dieser und der unteren Innen-Glasscheibe 4 sowie von der letzteren und dem Absorber 2. Es ist eine Anlage mit Zwangumlauf vorgesehen, mittels derer die Luft an dem Absorber 2 geblasen wird, um sich dort aufzuwärmen und die Wärme nach draußen zu transportieren, wo sie dann genutzt werden kann. Der Luftkreislauf ist mit Pfeilen angedeutet, und es ist zu erkennen, daß die beiden Luftschichten 6 und 7 miteinander zwei parallel geschaltete Durchgänge bilden, auf die sich die eintretende Luft aufteilt und durch den Eintrittssammler 9 strömt, während der Austrittssammler 10 mit dem der Luftschicht 8 in Verbindung steht. Die Sammler 9 und 10 sind auf derselben Seite des Gehäuses 1 angebracht. Insbesondere der Eintrittssammler 9 ist so beschaffen, daß eine gute Verteilung der Luft so verwirklicht wird, daß diese zwischen den Innen-Glasscheiben mit möglichst großer Gleichmäßigkeit atafließt.

Der Zwangsumlauf, der über einen Lüfter 11 erfolgt, kann mit offenem Kreislauf ausgeführt werden, und zwar mit stetiger Einleitung von Luft, die von draußen entnommen wird, und direkter Verwendung der Luft hinter dem Sammler 10, oder aber, wie in der Abbildung gezeigt, mit geschlossenem Kreislauf, und z'var so, daß die entnommene Wärme auf ein Sekundärarbeitsmittel übertragen wird, beispielsweise über den in den Kreislauf eingebauten Wärmetauscher 12 auf zu verdampfendes Wasser. Die Wahl eines geschlossenen Kreislauf ist auch deshalb von Vorteil, weil Luft in Umlauf gebracht werden kann, die in zweckmäßiger Weise bezüglich CO2 und H2O verarmt worden ist, um Strahlungsverluste herabzusetzen. Es besteht auch der weitere Vorteil, die in Umlauf befindlichen Stäube zu vermindern und auf diese Weise mögliche Ablagerungen im Innern des Solarkollektors zu verhindern.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, verteilt sich die über den Eintrittssammler 9 eintretende Luft auf die beiden Luftschichten 6 und 7, die durch die obere Innen-Glasscheibe 5 unterteilt sind, und vereinigt sich dann wieder zur Luftschicht 8, die bis zum Austrittssammler 10 verläuft und den Absorber 2 bespült, der, durch die drei gläsernen Scheiben 3,4 und 5 geschützt, je nach Stärke der Sonnenstrahlung I ohne oder mit Konzentration Temperaturen über 150 bis 200° C erreichen kann. Die Temperatur der Luft am Austrittssammler 10 wird sich mehr oder weniger in der Nähe der Temperatur des Absorbers 2 bewegen, je nach der Luftgeschwindigkeit, der Luftschicht 8, also in Abhängigkeit vom Luftstrom,

in der vom Lüfter 11 durch den Solarkollektor gedrückt wird. Es ist klar, daß in den beiden Luftschichten 6 und 7 die Temperatur der Luft nicht viel höher sein kann als die der Außenluft, weil sie auch dann, wenn sie die Wärme der sie umschließenden Fläche und einen guten

ι -, Teil der von der wärmeren Luftschicht 8 abgegebenen Energie aufnimmt und in Umlauf versetzt, sich ständig mit Frischluft erneuert. Deshalb wird der Treibhauseffekt der Infrarotstrahlung, die von der warmen Luftschicht 8 abgegebe- wird, in diesem Fall nicht nur

>« durch die darüber angeordneten Glasscheiben, sondern auch von den Luftschichten 6 und 7 sichergestellt, die mehr Energie aufnehmen als abgeben, Energie also, die dann wieder in Umlauf gesetzt wird und folglich den Wirkungsgrad erhöht.

Gleichzeitig wird auch die Fläche der Abdeckscheibe 3 abgekühlt, da sie durch den darunter vorhandenen Frischluftstrom 6 bestrichen wird, wodurch auch die Verluste durch Berührung und Strahlung von der Abdeckscheibe 3 verringert werden, so daß Wärme

jo gewonnen und somit der Gesamtwirkungsgrad weiter erhöht wird.

Die Innen-Glasscheiben 4 und 5 haben kleine handelsübliche Dicken von 1,2 bis 1,8 mm, um einmal die Kosten zu senken und zum anderen die Übertragung der von der Sonne abgestrahlten Energie zu verbessern wie auch die thermische Trägheit des Solarkollektors herabzusetzen, während die Abdeckscheibe aus transparentem Glas oder Kunststoff in einer Dicke von 3 bis 5 mm bestehen kann.

Der Absorber 2 kann aus einer sehr dünnen Metalltafel hergestellt werden, die möglicherweise selektiv so behandelt wird, daß der Absorptionsbeiwert des der Sonne ausgesetzten Bereichs möglichst groß wird, beispielsweise durch eine Lackierung in undurch-

•r, sichtigem Schwarz. Der Isolierstoff Γ ist herkömmlicher Art, wie zum Beispiel Steinwolle oder ähnlich, mit solchen Stärken, die die Verluste an den Seiten und an der Rückseite des Gehäuses 1 auf einen Kleinstwert begrenzen. Die Längsabmessung H kann etwa zwischen

«ι 400 und 1000 mm betragen, während in Querrichtung die Abmessung vom verwendeten Luftdurchsatz abhängt. Die im Sinne der Dicke zu wählenden Abstände liegen im allgemeinen zwischen 2 und 10 mm und vorzugsweise bei 3 bis 5 mm zwischen der Abdeckschei-

-,·, be 3 und der oberen Innen-Glasscheibe 5 und bei 3 bis 5 mm zwischen der letzteren und der unteren Innen-Glasscheibe 4, während der Abstand zwischen dieser und dem Absorber 2 bei 4 bis 8 mm liegt.

Anhand von Versuchen ist festgestellt worden, daß

en diese Solarkollektoren mit einer mit schwarzem, undurchsichtigen Lack behandelten Oberfläche des Absorbers 2 Lufttemperaturen am Austrittssammler 10 von über 130° C erreichen kann und sich mit Hilfe einer reflektierenden Fläche eine Temperatursteigerung auf

h"> über 160°C, mit mehreren Reflektoren sogar auf 200⁰¹C erzielen läßt. Der Wirkungsgrad übersteigt bei richtigem Luftdurchsatz (10 bis 40 mVhm²) 50% und erreicht unter besonders günstigen Bedingungen nahezu 70%.

In Fig. 2 ist noch einmal die gleiche Art eines Solarkollektors »mit Lutt« dargestellt, und zwar mit Innen-Glasscheiben 4' und 5' kleinerer Abmessungen, um zumindest in dem höher temperierten Bereich des Solarkollektors Wärmeverluste durch Abstrahlung nach außen zu verringern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Solarkollekior mit einem Gehäuse, das mit einer auffallende Sonnenstrahlung durchlassenden transparenten Abdeckscheibe, einem dazu parallelen Absorber und parallel zu der Abdeckscheibe mit mindestens zwei Innen-Glasscheiben mit gegenüber der Abdeckscheibe kleinerem Flächenmaß zwischen der Abdeckscheibe und dem Absorber versehen ist, sowie mit einem Strömungsweg für einen zu erhitzenden, gasförmigen Wärmeträger, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Innen-Glasscheiben (4, 4'; 5, 5') so angeordnet sind, daß zwei parallele Eintrittsluftströme die der Abdeckscheibe (3) zunächst angeordnete obere Innen-Glasscheibe (5, 5') beidseitig umströmen und ein Rückluftstrom zwischen der von der Abdeckscheibe (3) entfernt angeordneten unteren Innen-Glasscheibe (4, 4') und der Oberfläche des Absorbers (2) begrenzt ist.

2. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Innen-Glasscheiben (4'; 5') unterschiedliche Flächenausdehnungen haben, wobei die dem Absorber (2) näherliegende untere Innen-Glasscheibe (4') eine größere Fläche besitzt.

3. Solarkollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der gleichen Seite des Gehäuses (1) Ein- und Austrittssammler (9, 10) für den Ein- bzw. Austritt eines durch einen Lüfter (11) erzwungenen Luftstroms angeordnet sind.

4. Solarkollektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwangsumlaufsystem für die Luft ein geschlossenei Kreislauf ist, in dem ein Wärmetauscher (12) mit einem externen Arbeitsmedium zwischen dem Austrittssammler (10) und dem Lüfter(ll)eingeschaltet ist.

5. Solarkollektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen den beiden Innen-Glasscheiben (4,4'; 5,5') zwischen der oberen Innen-Glasscheibe (5, 5') und der Abdeckscheibe (3) und zwischen der unteren Innen-Glasscheibe (4,4') und dem Absorber (2) im Bereich von 2 bis 10 mm liegen.

6. Solarkollektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Abdeckscheibe (3) und der oberen Innen-Glasscheibe (5,5') im Bereich von 3 bis 5 mm liegt.

7. Solarkollektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden Innen-Glasscheiben (4, 4'; 5, 5') im Bereich von 3 bis 5 mm liegt.

8. Solarkollektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Absorber (2) und der unteren Innen-Glasscheibe (4, 4') im Bereich von 4 bis 8 mm liegt.