DE3390005C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Es sind verschiedenste Ausführungsformen von Sonnenkollektoren bekannt, bei denen als Wärmeträger üblicherweise Wasser, dem Frostschutzmittel zugesetzt ist, verwendet wird. Möglich sind auch Luft, Öl, Freon und andere Stoffe.

Handelt es sich bei dem Wärmeträger um eine Flüssig­ keit, so strömt diese üblicherweise in einem innerhalb des Absorbers ausgebildeten Kanalsystem. In anderen Fällen erfolgt die Strömung in mit Flanschen ausgestatteten Rohren. Das Ka­ nalsystem besteht aus Metall oder Kunststoff. Wird als Wärme­ träger ein Gas verwendet, strömt dieses im allgemeinen oberhalb oder unterhalb des Absorbers, in einigen Fällen auf beiden Seiten des Absorbers. Die Besonderheit der meisten Ausführungsformen von Absorbern mit gasförmigem Wärmeträger besteht darin, daß der Absorber eine extrem große Wärmetauscherfläche besitzt, die die Fläche der üblicherWeise aus Glas stehenden Abdeckplatte des Sonnenkollektors um das 4- bis 5fache übersteigt.

Das wohl größte Problem bei Sonnenkollektoren, die mit einem gasförmigen Wärmeträger arbeiten, besteht drin, den Aufbau des Sonnenkollektors so zu gestalten, daß die geforderte Wärmeübertragung bei einer sehr geringen Über­ temperatur des Absorbermaterials erhalten wird. Dadurch wird nämlich ein sehr hoher Wirkungsgrad erzielt.

Übliche Sonnenkollektoren besitzen einen aus Metallblech gefertigten Kasten mit Aluminium-Rahmen und einer aus Glas bestehenden Abdeckplatte. Abgesehen von den relativ hohen Produktionskosten eines solchen Sollenkollektors wird der Wirkungsgrad durch sogenannte "Kältelöcher", das sind Punkte oder Stellen mit sehr hoher Wärmeübertragung zur Umgebungsluft, herabgesetzt.

Von der Anmelderin wurde bereits ein Sonnenkollektor der eingangs genannten Art entwickelt, bei dem die Trägerplatte aus einem Fasermaterial mit einem hitzehärtbaren Bindemittel warmgepreßt ist. Bodenteil und Randteil der Trägerplatte sind - im Querschnitt - mit einem bestimmten Winkel zueinan­ der angeordnet.

Aus der DE-OS 27 13 628 ist ein Sonnenkollektor bekannt, bei dem die Dichte des Fasermaterials der Trägerplatte zur äußeren Hülle hin zunimmt. Parallel zur Körperoberfläche ist die Ma­ terialdichte gleichbleibend. Der so ausgebildete Sonnenkollek­ tor weist eine Formsteifigkeit und Festigkeit auf, die in den Randzonen des Kollektors genau so groß ist wie in der mittle­ ren Zone. Gleiches gilt für die Isoliationsfähigkeit.

Nun wird aber gefordert, daß der Boden eines Sonnenkollektors eine hohe Isoliationsfähigkeit aufweist, während der Boden nicht zur Aufnahme großer Lasten ausgelegt sein muß, während die Seitenwände des Sonnenkollektors mechanisch belastbar sein müssen, die Isoliationsfähigkeit jedoch im Hintergrund steht. Um bei dem bekannten Sonnenkollektor beide Forderungen gleichzeitig zu erfüllen, muß man sowohl den Boden als auch den Randbereich der Trägerplatte sehr dick gestalten. Damit wird das Gesamtvolumen des Sonnenkollektors allerdings sehr groß. Auf Grund des hohen Materialaufwands sind auch die Kosten beträchtlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sonnen­ kollektor zu schaffen, dessen Trägerplatte mit wenig Aufwand hergestellt werden kann, wobei die Trägerplatte an den er­ forderlichen Stellen die gewünschten mechanischen Festig­ keitseigenschaften und Wärmeübertragungseigenschaften auf­ weist.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des An­ spruchs 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiter­ bildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ange­ geben.

Auf Grund der relativ geringen Materialdichte im dicken Bo­ denteil und auf Grund der sehr hohen Materialdichte und dünnen Wandstärke im Randteil der Trägerplatte lassen sich die genannten Forderungen erfülen. Bei minimalen Material­ aufwand wird durch die erfindungsgemäße Maßnahme im Boden­ teil der Trägerplatte eine zwar ausreichende, jedoch nicht sehr hohe mechanische Festigkeit erzielt, während die Wärme­ übertragung sehr gering ist. Im Randteil der Trägerplatte verhält es sich umgekehrt: da dort die Wärmeübertragung höhr sein darf als im Bodenteil, wird das Material dort sehr stark verdichtet, mit der Folge, daß der Randteil eine sehr hohe mechanische Festigkeit besitzt.

In der CH 4 78 553 ist ein Warmhaltegeschirr beschrieben, dessen Unterteil und Oberteil aus aufgeschäumten Material mit jeweils äußerer und innerer Deckfolie bestehen. Das eine relativ hohe Wärmeisolierfähigkeit aufweisende Kunst­ stoff-Hartschaum-Material ist im Bodenbereich des Warmhal­ tegeschirrs dick, im Randbereich hingegen nur dünn. Zwar sind in der genannten Druckschrift sowohl die Wärmeisolier­ rungseigenschaften eines Behälters als auch dessen mechani­ sche Festigkeit angesprochen, jedoch abgesehen davon, daß die Druckschrift keinen Sonnenkollektor betrifft, ist das Ausschäumungsmaterial sowohl im Bodenteil als auch im Rand­ teil der schalenförmigen Geschirr-Teile homogen, besitzt also gleiche Dichte an allen Stellen. Zur Erhöhung der me­ chanischen Festigkeit werden konzentrische Vertiefungen im Bodenteil des Geschirrs vorgeschlagen. Insoweit konnte der CH-PS keine Anregung zu der erfindungsgemäßen Maßnahme entnommen werden.

Die DE-OS 15 04 919 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen mit einem harzartigen Skelett, welches von einem Uretanschaumstoff umschäumt ist. Durch Warmverformen des Skeletts und anschließendes Abkühlen läßt sich eine ge­ wünschte Form stabil beibehalten. Mithin zeigt die DE-OS die Herstellung von Kunststoffkörpern mit Bereichen unter­ schiedlicher Dichte, jedoch ist diese unterschiedliche Dich­ te - im Gegensatz zur Erfindung - keine angestrebte Eigen­ schaft der Kunststoffkörper, sondern allenfalls ein beiläu­ figes Ergebnis bei der Formung der Kunststoffteile. Soweit konnte auch dieser Druckschrift keine Anregung zu der er­ findungsgemäßen Maßnahme entnommen werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an­ hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1-3 schematische Querschnittsansichten eines Son­ nenkollektors, der mit Gas als Wärmeträger arbeitet,

Fig. 4 und 5 Schnittansichten von Absorber-Ausführungsfor­ men,

Fig. 6-8 verschiedene Ansichten eines Sonnenkollektors, der mit einem flüssigen Wärmeträger arbeitet,

Fig. 9 und 10 Teilansichten verschiedener Ausführungsformen einer Trägerplatte für einen Sonnenkollektor,

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht sowie einen Quer­ schnitt entlang der Linie A einer Sonnenkollek­ toranlage, und

Fig. 12 eine Teil-Querschnittsansicht eines erfin­ dungsgemäßen Sonnenkollektors.

Der in den Fig. 1 bis 3 im Querschnitt gezeigte Sonnen­ kollektor besitzt eine Abdeckplatte 1 aus Glas, einen Ab­ sorber 2, eine Trägerplatte 3 und eine Rand-Klemmvorrichtung 4.

Fig. 4 und 5 sind Querschnittansichten von Absorbern für einen gasförmigen Wärmeträger, mit einer Absorptions- und Wärmetauscherschicht 5, einem Strömungsverteilungsmaterial 6 und einer Verbindungs-Bodenschicht 7.

Die in den Fig. 6 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiele für einen flüssigen Wärmeträger enthalten eine Absor­ berschicht 8, einen Flüssigkeits-Durchgang 9 und einen Wärme­ übertragungsflansch 10. Alternative Ausgestaltungen sind durch gestrichelte Linien dargestellt.

Fig. 9 und 10 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen der Trägerplatte. Die Ausführungsform nach Fig. 9 ist für ein flüssiges Medium bestimmt, die nach Fig. 10 für ein Gas. Die dargestellten Ausführungsformen enthalten eine Faserhalte­ schicht 11, ein isolierendes Grundfasermaterial geringer Dichte im Bodenteil 12 a und hoher Dichte im Randteil 12 b, eine Schutzschicht 13 und Verbindungsöff­ nungen 21 für einen Wärmeträger. Die in Fig. 11 gezeigte Gasmedium-Anordnung enthält Sonnenkollektoren 14, Kanten­ streifen 15, ein Rahmengestell 17, eine zusätzliche Isolie­ rung 18, eine Bodenabdeckung 19, eine Verbindungshalterung 20 für das Außendach sowie Verbindungsöffnungen 21 für einen Wärmeträger.

Die Trägerplatte 3 des Sonnenkollektors besteht aus einem Fasermaterial, beispielsweise verstreckten Fasern, Kunst­ stoff-, Mineral- oder Naturfasern, wie zum Beispiel Kokos­ fasern, das zusammen mit einem Bindemittel bei hoher Tem­ peratur und unter Druck warmgepreßt wird, um gleichzeitig Bereiche hoher Dichte und Bereiche mit geringer Dichte zu erhalten. Auf diese Weise ist es möglich, eine Trä­ gerplatte mit harten und starken Kanten sowie Tragpunkten für Verbindungsöffnungen und dergleichen zu erhalten, und gleich­ zeitig Boden- und Seitenwände mit geringerer Dichte und dem­ zufolge besseren Isoliereigenschaften zu erhalten. Auf ihrer Innenseite besitzt die Trägerplatte eine sehr dünne Faserhalte­ schicht 11 aus beispielsweise Kunststoffasermaterial hoher Temperaturbeständigkeit, damit verhindert wird, daß sich die Fasern lösen und eine Verschmutzung innerhalb des Kollek­ tors bilden.

Auf ihrer Außenseite besitzt die Trägerplatte eine Schutz­ schicht 13, die als Schutz gegenüber der Atmosphäre und außerdem gegenüber mechanischer Beschädigung dient. Diese Schicht kann ein Blatt aus Metall oder aus PVC oder einem anderen Harzmaterial sein, das in Verbindung mit dem Warm­ pressen aufgebracht wird. Die Verbindungsöffnungen 21 für den Wärmeträger werden auch während dieser Verarbei­ tungsstufe ausgebildet.

Im Fall eines gasförmigen Wärmeträgers ist der Absorber 2 des Sonnenkollektors aus einem ähnlichen Material hergestellt. Der Absorber 2 enthält vorzugsweise eine absor­ bierende Wärmetauscherschicht 5 aus einem sehr fein strukturierten Mate­ rial wie zum Beispiel Glasfasern aus schwarzem Glas, schwar­ zen Kunststoffasern, schwarzem, fein strukturiertem Aluminium­ filz mit einer Beschichtung aus einem selektiv absorbieren­ den Anstrich. Solches Material besitzt eine sehr große Wärme­ übergangsfläche. Um diese zu nützen, muß der Luftstrom gleich­ mäßig über die gesamte Fläche verteilt werden, und die Kon­ struktion muß so stabil sein, daß sie nicht zusammenfallen oder sich absetzen kann. Dies wird dadurch ereicht, daß der Körper des Absorbers aus einem Fasermaterial derselben Art hergestellt wird wie die oben beschriebene Trägerplatte. Dieses Material besitzt einen Strömungs-Ausgleichseffekt, da der Druckabfall des Gases in Querrichtung des Materials etwa 10mal so groß ist wie in den oberhalb und unterhalb des Ab­ sorbers 2 gebildeten Durchgängen. Dessen ungeachtet kann der Druckabfall der gesamten Anodnung auf einem so geringen Wert wie etwa 5 bis 15 Pa gehalten werden. Auf der Unterseite des Absorbers ist ein sehr dünnes hitzebeständiges Gewebe als Verbindungs-Bodenschicht 7 aufge­ bracht, um das Ablösen von Fasern zu verhindern und einen ge­ wissen "Sandwich-Effekt" zu erhalten.

Ein Absorber 2 der oben beschriebenen Art hat die folgenden vorteilhaften Eigenschaften:

• - geringes Gewicht; etwa 0,5-0,7 kg/m²,
• - geringe Übertemperatur im Vergleich zur Ausgangstemperatur des Sonnenkollektors,
• - gleichmäßige Strömungsverteilung über der Fläche,
• - geringe Wärmekapazität, wodurch der Sonnenkollektor rasch auf Schwankungen der einfallenden Sonnenstrahlen reagiert.

Die Trägerplatte 3 kann in Verbindung mit den meisten ver­ schiedenen Wärmeträgern verwendet werden, zum Bei­ spiel Luft, Wasser, Öl, Freon usw.

Fig. 6 bis 8 zeigen Beispiele verschiedener Arten von Absorbern, die in dem Sonnenkollektor verwendet werden. In sämtlichen dargestellten Fällen wird die in dem Körper des Sonnenkollektors gespeicherte Wärmemenge niedrig gehalten, weil der spezifische Wärmeinhalt des Materials niedrig und das Gesamtgewicht gering ist, und die Trägerplatte keine "Kältelöcher" besitzt.

Die Abdeckplatte 1 kann aus gewöhnlichem Glas oder Hartglas, einfach oder doppelt, bestehen. Es können außerdem verschiedene Arten von einfachem oder doppeltem Kunststoffglas verwendet werden, da die Trägerplatte relativ elastisch ist und Bewe­ gungen des Glases ohne Ausbildung von Spannung zu folgen ver­ mag.

Der Sonnenkollektor kann ein Bauelement einer vollständigen So­ lar-Heizanlage sein; die Menge von für verschiedene Anwendungs­ zwecke benötigter Isolierung 18 bestimmt sich nach Maßga­ be der Betriebstemperatur des Systems. Im Fall von hohen Tempe­ raturen sollte diese Schicht etwa 100-150 mm betragen, im Fall von Warmwasseraufbereitung im Haushalt kann die Schicht 0-50 mm betragen. Wenn der Sonnenkollektor in einer Schwimmbad-Heizan­ lage verwendet wird, ist keine Sonderisolierung notwendig, die­ se ist auch im Fall der Aufheizung von Belüftungsluft nicht notwendig.

Die Abmessungen des Träger-Rahmengestells 17 sollten dement­ sprechend ausgewählt werden. Der Kantenstreifen 15 und die Verbindungshalte­ rung 20 sind ebenfalls an dem Rahmengestell 17 befestigt.

Der Sonnenkollektor kann wegen des geringen Gewichts (etwa 7-12 kg/m²) ohne technische Schwierigkeiten in Form großer Bau­ gruppen produziert werden.

Die Trägerplatte 3 ist als ein einstückiges, durchgehend ge­ formtes Element ausgebildet, an dem die Abdeckplatte 1 mit Hilfe der Rand-Klemmvorrichtung befestigt wird, welche sich über den Umfang des Elements erstreckt. Zwischen die Abdeckplatte und die Trägerplatte wird eine Dichtmasse oder eine Dichtung gebracht. Der Absorber 2 wird an der Trägerplatte 3 mit geeigne­ ten Mitteln befestigt, beispielsweise mit Hilfe eines Binde­ mittels. Die Trägerplatte kann auch mit einer Umfangsausnehmung 22 ausgestattet sein, in der die gläserne Abdeckplatte 1 mit Hilfe eines Bindemittels befestigt wird (Fig. 12).

Claims (3)

1. Sonnenkollektor, mit einer Trägerplatte (3), einer transparenten Abdeckplatte (1), die an ihrem Randab­ schnitt, mit der Trägerplatte (3) verbunden ist, und einem zwischen der Trägerplatte (3) und der Abdeckplatte (1) ein­ geschlossenen Absorber, wobei die Trägerplatte (3) aus einem Fasermaterial mit einem hitzehärtbaren Bindemittel warmgepreßt ist und einen im wesentlichen ebenen Bodenteil (12 a) sowie einen Randteil (12 b) aufweist, der unter einem Winkel im Bezug auf das Bodenteil (12 a) verläuft und mit die­ sem einstückig ausgebildet ist, dadurch gekennzeich­ net, daß die Dichte des Materials der Trägerplatte (3) im ebenen Bodenteil (12 a) relativ klein und im Randteil (12 b) relativ groß ist, und daß die Dicke der Materialschicht im Bodenteil (12 a) groß und im Randteil (12 b) klein ist, wobei das Fasermaterial der Trägerplatte (3) in deren Bodenteil (12 a) in einem geringerem Maß verdichtet ist als in deren Randteil (12 b).

2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial der Trä­ gerplatte (3) Vlies-, Bambus-, Kokos-, Mineral- oder Kunst­ stoffasern aufweist.

3. Sonnenkollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (3) eine mit ihrer Oberfläche verbundene feuchtigkeitsab­ weisende Schutzschicht (13) aufweist.