DE2919458A1

DE2919458A1 - Kollektor zur aufnahme von sonnenenergie

Info

Publication number: DE2919458A1
Application number: DE19792919458
Authority: DE
Inventors: Heinz Ing Grad Gresch; Heinz Ing Grad Hoelter; Heinrich Ing Grad Igelbuescher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-05-15
Filing date: 1979-05-15
Publication date: 1980-11-20

Description

Kollektor zur Aufnahme von Sonnenenergie
Die Erfindung betrifft einen Kollektor zur Aufnahme von Sonnenenergie aus zwei zueinander im wesentlichen parallelen Wandungen, insbesondere aus einem Kunststoffmaterial, die randseitig miteinander verbunden sind und zwischen denen wenigstens ein Zulaufkanal und ein Ablauikanal sowie eine Vielzahl von Verbindungskanälen zwischen Zulaufkanal und Ablaufkanal für die Warmetauscherflüssigkeit gebildet sind.
Derartige Kollektoren werden auf der Sonneneinstrahlung ausgesetzten Flächen, z.B. Dachflächen von Häusern, angeordnet und an einen Kreislauf für die Wärmetauscherflüssigkeit angeschlossen.
Der Kreislauf kann u.a. einen Wärmetauscher und gegebenenfalls eine Pumpe aufweisen.
Bekannte Kollektoren verwenden Systeme von Röhren, insbesondere Glasröhren, als Strömungskanäle für die der Sonnenstrahlung ausgesetzte Wä.rmetauscherflüssigkeit. Derartige Systeme sind verhältnismäßig aufwendig in Herstellung, Montage und Wartung, und sie haben darüberhinaus den Nachteil, daß die Röhren des Kollektors immer nur einen Teil der bestrahlten Fläche abdecken, sodaß zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind, um die auf die bestrahlte Fläche einfallenden Sonnenstrahlen auf die Röhren umzulenken.
Um diese Nachteile zu beheben, ist bereits vorgeschlagen worden, einen Sonnenkollektor von vornherein als flächenhaftes Gebilde zu konzipieren, das aus verhAltnismäßig preiswerten Materialien, insbesondere Kunststoffmaterialien aufgebaut ist. Dazu soll zwischen den Wandungen, die z.B. von einem flachgelegten Folienschlauch gebildet sein können, eine für die Wärmetauscherflüssigkeit durchlässige Zwischenschicht angeordnet sein. Diese Zwischenschicht kann z.B. aus einem offenporigen Schaumstoff oder aus einem Vlies bestehen. Die Zwischenschicht stellt nicht nur einen gewünschten Abstand zwischen den beiden Wandungen her sondern definiert auch einen gewünschten Strömungswiderstand für die Flüssigkeit, die dementsprechend mit im wesentlichen vorbestimmter Strömungsgeschwindigkeit durch den Kollektor fließen kann. Bei einem solchen Kollektor wird die absorbierte Wärme über die gesamte Fläche unmittelbar an die Wärmetauscherflüssigkeit abgegeben. Dadurch lassen sich die Verhältnisse insgesamt sc einstellen, daß die Temperatur der Absorptionsfläche nur geringfügig höher ist als die Temperatur der Wärmetauscherflüssigkeit selbst. Da der bekannte Kollektor auch nur ein geringes Gewicht besitzt, belastet er bei Anordnung auf einem Dach eines Hauses die Dachkonstruktion nur unwesentlich. - Auch ein solcher Kollektor ist noch verbesserungsfähig.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Kollektor der eingangs beschriebenen Gattung im Hinblick auf Herstellung und Aufbau zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß wenigstens eine Wandung auf ihrer der anderen Wandung zugewandten Seite eine Vielzahl von Vorsprüngen und/oder Rippen zur Bildung der Verbindungskanäle aufweist und daß die jeweils andere Wandung mit den erhabenen Flächen der Vorsprünge und/oder Rippen wenigstens bereichsweise verbunden ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Kollektor kann aufgrund der Profilierung einer oder beider Wandungen auf die Anordnung einer für die Wärmetaus cherflüs sigke it durchlässigen Zwischenschicht vollständig verzichtet werden. Dadurch wird nicht nur die Herstellung sondern auch der Aufbau des Kollektors vereinfacht. Grundsätzlich genügt es, wenn eine der beiden Wandungen auf ihrer der anderen Wandung zugekehrten Seite profiliert wird. Das kann z.B. dadurch geschehen, daß die Wandung extrudiert wird und aus der Extrusionswärme durch Walzen, Pressen oder dergleichen mit den Profilen versehen wird. Selbstverständlich können auch beide Wandungen auch diese oder auf eine andere Weise profiliert werden.
Im Hinblick auf eine einfache Herstellung und Fertigung der Wandungen empfiehlt es sich, die Vorsprünge und/oder Rippen regelmäßig anzuordnen.
Grundsätzlich besteht jedoch die Möglichkeit, die Außenseiten der Wandungen zu profilieren, indem z.B. die die Wandungen bildenen Folien zwischen Walzen mit Profilen und Gegenprofilen gewalzt werden. Dann können sich aber an der Außenseite der Wandungen Staubtaschen bilden. Deshalb ist eine Ausführungsform vorzuziehen, bei der die jeweiligen Außenseiten der Wandungen glatt sind. Das bedeutet gleichzeitig auch, daß die Vorsprünge und/oder Rippen der jeweiligen Wandung aus Vollmaterial bestehen und in die Wandung integriert sind.
Wenn beide Wandungen profiliert sind, bestehen verschiedene Möglichkeiten der Verbindung zwischen beiden Wandungen. Bei einer Ausführungsform, bei der die Grundfläche der jeweiligen Vorsprünge und/oder Rippen kleiner ist als die Fläche der zwischen den Vorsprüngen und/oder Rippen liegenden Bereichen besteht die Möglichkeit, die erhabenen Flächen der Vorsprünge und/oder Rippen der einen Wandung unter Belassung von Verbindungskanälen mit diesen Bereichen (zwischen den Vorsprüngen und/oder Rippen) der anderen Wandung zu verbinden. Man erhält dadurch einen sehr flach bauenden Kollektor, der nichtsdestoweniger eine Vielzahl von Verbindungskanälen für die Wärmetauscherflüssigkeit besitzt.
Bei einer anderen Ausführungsform können die beiden Wandungen über die erhabenen Flächen ihrer jeweiligen Vorsprünge und/oder Rippen miteinander verbunden sein. Dann besteht z.B. die Möglichkeit, durch Anordnung und Ausbildung der Vorsprünge und/oder Rippen die Verbindungskanäle so zu führen, daß sie nicht nur in einer im wesentlichen zu der oder den Wandungen parallelen Ebene sondern auch aus dieser Ebene heraus und wieder da hinein zurückgeführt sind.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß beide Wandungen jeweils eine Vielzahl von zueinander parallelen Rippen aufweisen. Die beiden Rippen können derart miteinander verbunden werden, daß ihre jeweiligen Rippen einen Winkel, insbesondere einen Winkel von ca. 900, bilden. Ein derartiger Kollektor weist nicht nur herstellungstechnische Vorteile auf, weil die Rippen der Wandungen oder wenigstens einer Wandung gegebenenfalls bereits durch ExtrUsion der Wandung hergestellt werden können.
Die Ausbildung der Rippen durch Walzen oder dergleichen bereitet ebenfalls keine Schwierigkeiten. In funktioneller Hinsicht hat ein derartiger Kollektor den Vorteil, daß die Wärmetauscherflüssigkeit auf ihrem Weg vom Zulaufkanal zum Ablaufkanal eine Vielzahl von Hindernissen passieren muß und dabei abwechselnd aus dem Bereich der einen Wandung in den Bereich der anderen fließen muß, wobei nicht nur eine gute Wärmeaufnahme sondern auch die Ausbildung von Turbulenzen gewährleistet ist, die den Wärmeaustausch innerhalb der Wärmetauscherflüssigkeit fördern. Gleichzeitig läßt sich durch Anordnung unusbildung der Rippen auch der Strömungswiderstand für die Wärmetauscherflüssigkeit in günstige Bereiche legen.
Auch der Zulaufkanal und der Ablaufkanal können durch Rippen definiert werden, und zwar dadurch, daß der Abstand von zwei in Randnähe angeordneten Rippen zur Bildung von Zulaufkanal bzw. Ablaufkanal größer ist als der Abstand der übrigen Rippen.
Aus Gründen der Stabilität können die randseitigen Rippen eine größere Breite besitzen als die übrigen Rippen. Das gilt insbesondere dann, wenn es sich dabei um die den Zulaufkanal und/oder den Ablaufkanal definierenden Rippen handelt.
Im übrigen sollten die Rippen im Querschnitt Trapezform aufweisen.
Das ist günstig für die Herstellung und auch für die Verbindung der beiden Wandungen, die in der Regel dadurch erfolgt, daß die miteinander zu verbindenden Flächenbereiche unter Druck und Wärme aufeinander gepreßt werden. Dabei wirkt sich die Trapezform günstig aus.
Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung sollte jede Wandung randseitig zwei Rippen zur Bildung von Zulaufkanal und Ablaufkanal aufweisen, wobei die unter einem Winkel zu diesen Kanälen angeordneten Rippen an den Kanälen enden. Dann können nämlich die beiden Wandungen so zusammengefügt werden, daß jede Wandung einen Teil, insbesondere die Hälfte von Zulaufkanal und Ablaufkanal definiert.
In dem dazwischenliegenden Bereich definieren die Rippen der einen und der anderen Wandung die Verbindungskanäle.
Zur Erhöhung der Absorptionsfähigkeit des verwendeten Kunststoffmaterials kann das Kunststoffmaterial wenigstens einer Wandung einen Zusatz von Bitumen aufweisen. Dadurch werden die Eigenschaften des Kunststoffmaterials denen eines schwarzen Körper angenähert, der nur Strahlung absorbiert, aber so gut wie keine Strahlung abgibt. Ein bevorzugtes Kunststoffmaterial ist ein Athylen-Propylen-Mischpolymerisat. Andere Materialien sind jedoch möglich, wenn sie geeignete Eigenschaften, z.B. eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen.
Wenn der erfindungsgemäße Kollektor unmittelbar die Dachhaut oder wenigstens einen Teil der Dachhaut eines Gebäudes bilden soll, kann er auf seiner strahlungsfreien Seite eine Isolierschicht aufweisen.
Im übrigen kann auf der strahlungsfreien Seite oder auf der Isolierschicht eine Haft- oder Klebeschicht zur Befestigung z.B. auf einem Dach vorhanden sein.
Im folgenden werden in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert; es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Wandung eines Kollektorelements, Fig. 2 einen Schnitt in Richtung II-II durch ein Kollektorelement aus zwei miteinander verbundenen Wandungen, Fig. 3 in perspektivischer Darstellung ein Kollektorelement mit teilweise auseinandergezogenen Wandungen.
Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Kollektorelement besteht aus zwei miteinander verbundenen Wandungen 1, 2 aus einem Kunststoffmaterial. Die Wandungen 1 bzw. 2 weisen jeweils auf ihrer der anderen Wandung zugekehrten Seite zwischen randseitigen Rippen 3, 4 bzw. 5, 6 eine Vielzahl von regelmäßig angeordneten Vorsprüngen 7 bzw. 8 auf. Die Vorsprünge 7 bzw. 8 weisen eine im wesentlichen quadratische Grundfläche und einen im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt auf. Die Grundfläche der Vorsprünge 7 bzw. 8 ist kleiner als die zwischen diesen Vorsprüngen 7 bzw. 8 verbleibende Fläche, sodaß nach dem Zusammenfügen der beiden Wandungen 1, 2 die erhabenen Flächen der Vorsprünge 7 bzw. 8 gegen vorsprungfreie Bereiche 9 der jeweils anderen Wandung anliegen und dort durch Anwendung von Druck und Wärme mit diesen Bereichen 9 verschweißt sind. Außerdem sind auch die Rippen 3 und 4 der Wandung 1 mit den zugeordneten Rippen 5 bzw. 6 der anderen Wandung 2 verschweißt. Es versteht sich, daß auch die Ränder 1o bzw. 11 der beiden Wandungen 1 bzw. 2 miteinander flüssigkeitsdicht verschweißt sind, wobei im Bereich des Randes 11 zwischen den Rippen 3, 5 bzw. 6, 4 und der benachbarten Reihe der Vorsprünge 7 Öffnungen verbleiben, durch die die Wärmetauscherflüssigkeit in Richtung des Pfeils 12 in das Kollektorelement eintreten und in Richtung des Pfeils 13 aus dem Kollektorelement austreten kann.
Man erkennt, daß zwischen den miteinander verschweißten Rippen 3 und 5 bzw. 6 und 4 sowie den benachbarten Reihen der Vorsprünge 7 bzw. 8 ein an die Öffnung 12 anschließender Zulauflcanal sowie ein an die Öffnung 13 anschließender Ablaufkanal 15 gebildet ist.
Zwischen Zulaufkanal 14 und Ablaufkanal 15 sind durch die Anordnung der Vorsprünge 7 bzw. 8 eine Vielzahl von Verbindungskanälen 16 gebildet, durch die die Wärmetauscherflüssigkeit strömen kann.
Man erkennt, daß diese Verbindungskanäle 16 auch dann gebildet werden5 wenn die sich quer zu den Rippen 3 - 6 erstreckenden Reihen der Vorsprünge 7 bzw. 8 zu Querrippen vereinigt sind.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die in der Figur untere Wandung 1 außer den randseitigen Rippen 3 und 4 eine Vielzahl von sich parallel zu diesen Rippen 3, 4 erstreckenden Längsrippen 17 auf. Der Abstand der randseitigen Rippen 3 bzw. 4 von der jeweils nächsten benachbarten Längsrippe 17 ist größer als der Abstand der übrigen Längsrippen 17 untereinander, sodaß zwischen den randseitigen Rippen 3, 4 und der jeweils benachbarten Längsrippe 17 der Zulaufkanal 14 und der Ablaufkanal 15 gebildet sind. Aus Stabilitätsgründen sind die randseitigen Rippen 3, 4 und die jeweils benachbarten Längsrippen 17 etwas breiter ausgeführt als die übrigen Längsrippen 17. Alle Rippen besitzen einen im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt.
Die obere Wandung 2 weist wiederum die randseitigen Rippen 5 und 6 auf, an die ein sich in Längsrichtung der Wandung 2 erstreckender rippenfreier Bereich zur Bildung des Zulaufkanals 14 bzw. des Ablaufkanals 15 anschließt. Zwischen diesen rippenfreien Bereichen erstreckt sich eine Vielzahl von Querrippen 18, deren Profil und Stärke im wesentlichen den der Längsrippen 17 entspricht Nach Vereinigung der beiden Wandungen durch Druck und Wärme sind jeweils die randseitigen Rippen 3 und 5 bzw. 4 und 6 miteinander verschweißt. Außerdem sind die erhabenen Flächen der Längsrippen 17 und der Querrippen 18 bereichsweise miteinander verschweißt.
Es versteht sich, daß auch die Ränder 1o und 11 flüssigkeitsdicht miteinander verschweißt sind, wobei im Bereich des Randes 11 an den Zulaufkanal 14 und an den Ablaufkanal 15 anschließende Öffnungen verbleiben, über die die Wärmetauscherflüssigkeit in Richtung des Pfeils 12 in den Zulaufkanal 14 eintreten und in Richtung des Pfeils 13 aus dem Ablaufkanal 15 austreten kann. Längsrippen 17 und Querrippen 18 bilden eine Vielzahl von Verbindungskanälen zwischen Zulaufkanal 14 und Ablaufkanal 15, wobei die Verbindungskanäle abwechselnd im Bereich der unteren Wandung 1 und der oberen Wandung 2 verlaufen, sodaß beim Durchfluß des Wärmetauschermediums eine turbulente Strömung entsteht, die den Wärmeübergang innerhalb des Wärmetauschermediums fördert. Als Material für die Wandungen 1, 2 wird vorzugsweise ein Athylen-Propylen-Mischpolymerisat verwendet, wobei das Material wenigstens einer Wandung einen Zusatz von Bitumen aufweisen kann, sodaß diese Wandung Eigenschaften- erhält, die denen eines schwarzen Körpers nahe kommen.
In den Figuren ist nicht dargestellt, daß bei Verwendung des Kollektorelementes als Dachhaut eine Isolierschicht auf der strahlungsfreien.Seite angeordnet sein kann und daß die strahlungsfreie Seite oder die Isolierschicht eine Haft- oder Klebeschicht zur Befestigung auf einem Dach aufweist.

Claims

Patentansprüche e Kollektor zur Aufnahme von Sonnenenergie aus zwei zueinander im wesentlichen parallelen Wandungen, insbesondere aus einem Kunststoffmaterial, die randseitig miteinander verbunden sind und zwischen denen wenigstens ein Zulaufkanal und ein Ablaufkanal sowie eine Vielzahl von Verbindungskanälen zwischen Zulaufkanal und Ablaufkanal für die Wärmetauscherflüssigkeit gebildet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß wenigstens eine Wandung (1 bzw. 2) auf ihrer der anderen Wandung zugewandten Seite eine Vielzahl von Vorsprüngen (7, 8) und/oder Rippen ( 3 - 6, 17, 18) zur Bildung der Verbindungskanäle (16) aufweist und daß die jeweils andere Wandung mit den erhabenen Flächen der Vorsprünge (7, 8) und/oder Rippen (3 - 6, 17, 18) wenigstens bereichsweise verbunden ist.
2. Kollektor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c hnet, daß die Vorsprünge (7,8) und/oder Rippen (17, 18) regelmäßig angeordnet sind.
3. Kollektor nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß die jeweiligen Außenseiten der Wandungen (1, 2) glatt sind.
4. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 - 3, d a d u r c h g e k e h n z e i c h n e t, daß beide Wandungen (1, 2) profiliert sind.
5. Kollektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ne t, daß die Grundfläche der jeweiligen Vorsprünge (7, 8) und/oder Rippen (17, 18) kleiner ist als die Fläche der zwischen den Vorsprüngen und/oder Rippen liegenden Bereiche (9) und daß die erhabenen Flächen der Vorsprünge und/oder Rippen der einen Wandung unter Belassung von Verbindungskanälen (16) mit diesen Bereichen (9) der anderen Wandung verbunden sind.
6. Kollektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die beiden Wandungen (1, 2) über die erhabenen Flächen ihrer jeweiligen Vorsprünge (7, 8) und/oder Rippen (3 - 6, 17, 18) miteinander verbunden sind.
7. Kollektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß beide Wandungen (1, 2) jeweils eine Vielzahl von zueinander parallelen Rippen (17,18) aufweisen.
8. Kollektor nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß die beiden Wandungen (1, 2) derart miteinander verbunden sind, daß ihre jeweiligen Rippen (17, 18) einen Winkel zueinander bilden.
9. Kollektor nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c hnet, daß der Winkel zwischen den Rippen (17, 18) der beiden Wandungen (1, 2) 900 beträgt.
lo. Kollektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n-e t, daß der Abstand von zwei in Randnähe angeordneten Rippen (3, 17 bzw. 4, 17) zur Bildung von Zulaufkanal (14)bzw. Ablaufkanal (15) größer ist als der Abstand der übrigen Rippen (17).
11. Kollektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - lo, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die randseitigen Rippen (3 - 6) eine größere Breite besitzen als die übrigen Rippen (17).
12. Kollektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 11, d a d u r ch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Rippen (3 - 6, 17, 18) im Querschnitt Trapezform aufweisen.
13. Kollektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß jede Wandung (1, 2) randseitig zwei Rippen (3, 4 bzw. 5,6) zur Bildung von Zulaufkanal (14) und Ablaufkanal (15) aufweist und daß die unter einem Winkel zu diesen Kanälen (14, 15) angeordneten Rippen (18) an den Kanälen (14, 15) enden.
14. Kollektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Kunststoffmaterial wenigstens einer Wandung (1, 2) einen Zusatz von Bitumen aufweist.
15. Kollektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Kunststoffmaterial ein Athylen-Propylen-Mischpolymerisat ist.
16. Kollektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 15, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Isolierschicht auf der strahlungsfreien Seite.
17. Kollektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die strahlungsfreie Seite oder die Isolierschicht eine Haft- oder Klebeschicht zur Befestigung z.B. auf einem Dach aufweist.