DE3143274A1 - Solarkollektor mit einem zwischen platten angeordneten absorber - Google Patents

Solarkollektor mit einem zwischen platten angeordneten absorber

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DE3143274A1
DE3143274A1 DE19813143274 DE3143274A DE3143274A1 DE 3143274 A1 DE3143274 A1 DE 3143274A1 DE 19813143274 DE19813143274 DE 19813143274 DE 3143274 A DE3143274 A DE 3143274A DE 3143274 A1 DE3143274 A1 DE 3143274A1
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DE19813143274
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Jürgen 2000 Schenefeld Schukey
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/40Solar heat collectors using working fluids in absorbing elements surrounded by transparent enclosures, e.g. evacuated solar collectors
    • 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
    • F24S10/504Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed between plates having conduits formed by paired non-plane plates
    • 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
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S25/00Arrangement of stationary mountings or supports for solar heat collector modules
    • F24S2025/01Special support components; Methods of use
    • F24S2025/011Arrangements for mounting elements inside solar collectors; Spacers inside solar collectors
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44Heat exchange systems

Description

  • Beschreibung
  • 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.
  • Ein Solarkollektor dieser Art, ein sogenannter Flachkoliektor, dient zum Erwärmen des Betriebsfluids, z.B.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der übrige Teil der Stützelemente kann z.B. bei einem aus Metall hergestellten Absorber auch aus Metall bestehen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine ähnliche Wirkung wird erreicht, wenn die in Wärmeeinfallsrichtung hintere Platte mit einer IR-reflektierenden Schicht versehen ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Wichtig ist jedoch, daß diese Verbindung vakuumdicht ist.
  • 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.
  • 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.
  • Bei der Ausführungsform der Fig. 5 bestehen die StUtzelemente im wesentlichen ebenfalls aus Vorsprüngen der Platten 4 und 5.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (10)

  1. Patentansprüche Solarkollektor mit einem Rahmen, zwei in einem Abstand angeordneten, am Rahmen befestigten Platten, von denen wenigstens eine wärmedurchlässig ist, und einem zwischen den Platten angeordneten Absorber mit Leitungen zum Durchleiten des Betriebsfluids, dadurch gekennzeich.r.t, daß die Platten (2, 3) mit dem Rahmen (1) unter Bildung eines vakuumdicht verschlossenen Raumes (9) zwischen den Platten (2, 3) verbunden sind und der Raum (9) evakuiert ist, und daß zwischen den Platten (2, 3) eine Vielzahl von Stützelementen (8) vorgesehen ist, durch die die Platten (2, 3) im Abstand gehalten sind und von denen wenigstens einige am Absorber (4, 5) angeordnet sind.
  2. 2. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Stützelemente (8) am Absorber (4, 5) angeordnet sind.
  3. 3. Solarkollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (8) über die Platten (2, 3) gleichmäßig verteilt sind.
  4. 4. Sclarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (8) aus wärmeisolierendem Material bestehen.
  5. 5. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Platten (2, 3) berührenden Enden der Stützelemente (8) aus einem wärmeisolierenden Material (13) bestehen.
  6. 6. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1) elastisch ist und einem U-förmigen Querschnitt aufweist und die Platten (2, 3) mit ihm verklebt sind.
  7. 7. Solarkollektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1) auf den Außenflächen der Platten (2, 3) aufliegt.
  8. 8. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Absorber (4, 5) und der im Wärmeeinfallsrichtung hinteren Platte (3) ein aus einer dünnen Metallfolie bestehender Reflektor (12) vorgesehen ist.
  9. 9. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in Wärmeeinfallsrichtung hintere Platte (3) mit einer IR-reflektierenden Schicht (12) versehen.
  10. 10. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß er als selbsttragendes Bauelement ausgebildet ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP1191288A3 (de) * 2000-09-22 2003-07-30 Robert Mack Evakuierbarer Solar-Flachkollektor
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