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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft einen Solarkollektor mit einem Rahmen, zwei
in einem Abstand angeordneten, am Rahmen befestigten platten, von denen mindestens
eine wärmedurchlässig ist, und einem zwischen den Platten angeordneten Absorber
mit Leitungen zum Durchleiten des Betriebsfluids.
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Ein Solarkollektor dieser Art, ein sogenannter Flachkoliektor, dient
zum Erwärmen des Betriebsfluids, z.B.
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Wasser aufgrund der Sonneneinstrahlung. Die Wärmestrahlung der Sonne
dringt dabei durch die in Strahlunasrichtung vordere wSrmedurchlässige Platte und
trifft auf den Absorber, wo sie absorbiert wird. Durch den so erwärmten Absorber
fließt dann das Betriebsfluid, das dadurch erwärmt wird.
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Ein Flachkollektor dieser Art hat gegenüber einem R5hrenkollektor,
bei dem ein im wesentlicher röhrenförmiger Kollektor von einem wärmedurchlässigen
Rohr umgeben ist, den Vorteil, daß wegen der größeren Fläche eine größere Wärmemenge
absorbiert werden kann.
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Bei einem Solarkollektor muß natürlich in möglichst großem Umfang
vermieden werden, daß der Absorber seine Wärme durch die wärmedurchlässige Platte
wieder an die Umgebung abgeben kann. Dies kann zum Teil durch gewisse Beschichtungen
verhindert werden. Dadurch kann zwar die Abstrahlung von Wärme teilweise verhindert
werden, nicht aber die durch Konvektion verlorene Wärme, d.h. die Wärme, die vom
Absorber über die Luft zwischen den Platten an die Platten und damit an die Umgebung
abgegeben wird. Bei Röhrenkollektoren hat
man dieses Problem dadurch
gelöst, daß man den Raum zwischen Absorber und äußerem wärmedurchlässigen Rohr evakuiert.
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Dies war bei einem Flachkollektor .isl.r nicht möglich, da sonst auf
die Platten sehr große Drücke wirken würden, durch die die Platten durch den Luftdruck
zusammengedrückt würden, wodurch der Kollektor zerstört würde. Bei einem 1 m2 großen
Kollektor würde z.B. eine Kraft von 10.000 Kp auf jede der Platten wirken.
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Man hat zwar versucht, diese Wärmeverluste dadurch zu verringern,
daß man zumindestens die eine Platte, durch die die Wärme eindringt, doppelt ausführt.
Dadurch wird jedoch die Wärmeabgabe durch Konvektion zwar vermindert, nicht jedoch
verhindert. Außerdem wird ein solcher Kollektor wegen der größeren Zahl von Platten
teurer, und es geht möglicherweise ein Teil der Wärme verloren, da sie durch mehr
als eine Platte hindurchtreten muß.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Solarkollektor der
eingangs genannten Art zu schaffen, der einfach im Aufbau ist und bei dem die Wärmeverluste
möglichst gering sind.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Platten mit dem
Rahmen und der Bildung eines vakuumdicht verschlossene Raumes zwischen den Platten
verbunden sind und der Raumevakuiert ist, und daß zwischen den Platten eine Vielzahl
von Stützelementen vorgesehen ist, durch die die Platten im Abstand gehalten sind
und von denen wenigstens einige am Absorber angeordnet sind.
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Durch das Vakuum ist der Absorber gut wärmemäßig isoliert; er kann
keine Wärme mehr durch Konvektion an die Umgebung abgeben, sondern nur noch an das
Betriebsfluid, das erwärmt werden soll. Die Kräfte, die aufgrund des äußeren
Luftdrucks
wirken, werden dabei durch die Stützelemente aufgenommen. Damit der Kollektor nicht
durch zusätzliche Elemente zu kompliziert wird, ist dabei vorgesehen, daß wenigstens
einige der Sttzelemente am Absorber angeord t sind.
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Durch die Erfindung wird es also erstmalig möglich, die gute Isolation
eines Vakuums auch bei einem Flachkollektor anzuwenden. Man erhält dadurch großflächige
Kollektoren mit wesentlich geringeren Wärmeverlusten, als dies bisher der Fall war.
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Die Stützelemente werden in Zahl, Anordnung und Stärke den Dimensionen
des Solarkollektors angepaßt. Einen besonders einfachen Aufbau erhält man, wenn
alle Stützelemente am Absorber angeordnet sind.
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Vorteilhafterweise wird man die Stützelemente über die Platten gleichmäßig
verteilen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß die Verteilung nicht ganz gleichmäßig
ist, z.B. in der Nähe des Randes des Kollektors.
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Die Stützelemente können integrale Teile des Absorbers sein, also
etwa Vorsprünge aus demselben Material wie der Absorber selbst. Da der Absorber
normalerweise aus einem gut wärmeleitfähigen Material besteht, kann man, um die
Wärmeleitung vom Absorber über die Stützelemente zu den Platten zu verringern, die
Stützelemente aus wärmeisolierendem Material herstellen. Es kann jedoch vorgesehen
sein, daß nur die die Platten berührenden Enden der Stützelemente aus einem wärmeisolierenden
Material bestehen.
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Der übrige Teil der Stützelemente kann z.B. bei einem aus Metall hergestellten
Absorber auch aus Metall bestehen.
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Damit wird dI tUtzwirkuncj im wesent.lichen durch das stabile Metall
bewirkt, während nur kleine wärmeisolierende Material mengen an den Enden der Stützelementen
der Stützelemente vorgesehen sein müssen.
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Der Solarkollektor ist natürlich großen Temperaturschwankungen ausgesetzt.
Damit bei Ausdehnung der Platten bei Erwärmung der Rahmen nicht beschädigt ist,
kann vorgesehen sein, daß der Rahmen elastisch ist. Um eine zuverlässige und sichere
Befestigung der Platten am Rahmen zu gewährleisten, kann der Rahmen einen U-förmigen
Querschnitt aufweisen, wobei die Platten mit dem Rahmen verklebt sind.
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Wenn der Rahmen auf den Außenflächen der Platten aufliegt, werden
die Außenkanten der Platten vom Rahmen umschlossen, wodurch sie gut geschützt sind,
was insbesondere bei Glasplatten z.B. beim Transport der Solarkollektoren wichtig
ist.
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Die Wärme dringt durch die in Wärmeeinfallsrichtung vordere Platte
ein und gelangt zum Absorber. Damit sie nicht durch Strahlung teilweise an die hintere
Platte weitergeleitet wird und dort verlorengeht, kann zwischen dem Absorber und
der in Wärmeeinfallsrichtung hinteren Platte ein aus einer dünnen Metallfolie bestehender
Reflektor vorgesehen sein, durch die diese abgestrahlte Wärme zum Absorber zurückreflektiert
und dort aufgenommen wird.
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Eine ähnliche Wirkung wird erreicht, wenn die in Wärmeeinfallsrichtung
hintere Platte mit einer IR-reflektierenden Schicht versehen ist.
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Der erfindungsgemäße Solarkollektor kann z.B. mit Schienen am Dach
oder einer sonstigen Konstruktion befestigt werden, er kann jedoch auch als selbsttragendes
Bauelement ausgebildet
sein, so daß er vielseitig in der Bautechnik
eingesetzt werden kann.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der beigefügten
Zeichnung beschrieben, die vorteilhafte Ausführungsformen zeigt. Es zeigen: Fig.
1 im Querschnitt in Längsrichtung der Kanäle des Absorbers, durch die das Betriebsfluid
geleitet wird, eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 dieselbe
Ausführungsform im Querschnitt senkrecht zu den Kanälen des Absorbers, durch die
das Betriebsfluid geleitet wird; Fig. 3 einen Schnitt durch eine Ausführungsform
für Betriebsfluideinlauf bei Seitenanschluß; Fig. 4 einen Schnitt durch eine Ausführungsform
mit Betriebsfluideinlauf bei Unteranschluß ;und Fig. 5 ein Schnitt durch ein Stützelement
mit einem eingesetzten wärmeisolierenden Element.
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Der in den Fiauren dargeste11..te wlach.kol.lektor weist einen umlaufenden
Rahmen 1 auf, der im wesentlichen U-förmigen Querschnitt hat und in dem parallel
angeordnete Platten 2 und 3 in einem Abstand zueinander befestigt sind. Zumindestens
die in Wärmeeinfallsrichtung vordere, in der Fig. 1 obere Platte 2
ist
durchlässig. Sie kann z.B. aus Glas bestehen und mit einer Beschichtung versehen
sein, durch die Spiegelungen verringert werden. Der U-förmige Rahmen 1 umschließt
dabei die Ränder der Platten 2 und 3, damit dieselben sicher befestigt sind und
vor Beschädigung geschützt sind. Die Platten 2 und 3 können z.B. mit dem Rahmen
1 ringsum verklebt sein.
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Wichtig ist jedoch, daß diese Verbindung vakuumdicht ist.
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Zwischen den Platten 2 und 3 befindet sich der Absorber, der im wesentlichen
aus zwei Platten 4 und 5 besteht, die mit solchen Rinnen ausgebildet und so zusazurgeschweißt
sind, daß sie eine einzelene Platte mit Durchlaufkanälen 6 bilden, durch die das
Fluid zur Erwärmung hindurchgeleitet wird. Diese Drchlaufkanäle 6 sind mit Ein-
bzw. Auslaßkanälen 7 verbunden. Die Platten 4 und 5 sind bei der Ausführungsform
der Figuren 1 bis 4 dabei mit Vorsprüngen 8 versehen, die die Platten 2 und 3 abstützen,
wenn der Raum zwischen den Platten evakuiert wird. Die Stützelemente können dabei
einstückig mit-den Platten 4 und 5 hergestellt sein und aus dem Plattenmaterial
bestehen. Die Stützelemente können dabei, wie bei der Ausführungsform der Fig. 1
und 2, punktförmig abstützen. Sie können jedoch auch, wenn dies erforderlich ist,
länglich sein und damit linienförmig die Platten 2 und 3 abstützen. Damit der Raum
9 zwischen den Platten und innerhalb des Kollektors evakuiert werden kann, muß eine
nicht in den Figuren dargestellte Öffnung zum Auspumpen vorgesehen sein, die nach
dem Evakuieren dauernd geschlossen werden kann oder mit einem Ventil verschlossen
werden kann, falls von Zeit zu Zeit das Vakuum durch erneutes Auspumpen verbessert
werden soll.
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Die obere bzw. in Strahlungsrichtung vordere Scheibe ist normalerweise
dünner ausgebildet als die hintere Scheibe 3, die auch nicht unbedingt aus einem
wärmedurchlässigen Material
wie z.B. Glas bestehen muß. Die vordere
bzw. obere Scheibe wird noch mit einer Beschichtung 10 versehen sein, um zu verhindern,
daß ein Teil der einfallenden Wärme reflektiert wird. Eine weitere Schicht 11 ist
innen an dieser Scheibe vorgesehen, damit nicht Wärme wieder durch Strahlung nach
außen dringen kann. Diese IR-reflektierende Beschichtung kann z.B. aus SnO2 oder
In2 03 bestehen. Eine entsprechende Beschichtung 12 kann auf der Innenseite der
unteren Scheibe 3 vorgesehen sein, damit die Wärme nicht nach unten hinaustreten
kann.
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Bei der Ausführungsform der Fig. 5 bestehen die StUtzelemente im wesentlichen
ebenfalls aus Vorsprüngen der Platten 4 und 5.
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Es sind jedoch im Gegensatz zur Ausführungsform der Figuren 1 bis
4 an den Spitzen der Stützelemente 8, an denen dieselben die Platten 2 und 3 berühren,
Einsätze 13 aus Isoliermaterial vorgesehen, so daß das gut leitende Material der
Absorberplatten 4 und 5 nicht in Berührung mit den äußeren Platten bzw. Scheiben
2 und 3 kommt.
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In Fig. 3 und 4 ist gezeigt, wie die Ein- bzw. Auslaufkanäle 7 durch
den Rahmen 1 nach außen geführt werden können, damit das Betriebsfluid durch den
Solarkollektor hindurchgeleitet werden kann. Die Ein- bzw. Auslaufkanäle 7 sind
dabei noch mit Dichtungen 14 gegen den Rahmen 1 abgedichtet, damit an dieser Stelle
keine Luft in den ausgepumpen Raum 9 eindringen kann.
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Bei den dargestellten Ausführungsformen ist der Schenkel des U der
Rahmen mit zwei seitlichen Ausnehmungen versehen, damit diese Rahmen von einem Träger
15 gehalten werden können, der Doppel-T-Form hat. Mit diesen Träger 15 können die
erfindungsgemäßen Solarkollektoren dann z.B. auf einem Dach befestigt werden.
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Verschiedene Abwandlungen können vorgenommen werden, wie man sie auch
bei bekannten Solarkollektoren zum Teil schon kennt. So kann z.B. die reflektierende
Beschichtung 12 der unteren Platte durch eine reflektierende Metallfolie ersetzt
werden. Auch kann der Absorber 4, 5 mit einer selektiv absorbierenden Beschichtung
16 versehen sein.