DE4217060A1 - Solar energy collector - has circulating fluid in pipe embedded in absorber plate contained hermetically between transparent faceplate and backplate - Google Patents
Solar energy collector - has circulating fluid in pipe embedded in absorber plate contained hermetically between transparent faceplate and backplateInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Sonnenenergiekollektor für die Warmwasserversorgung oder die Heizung von Gebäuden sowie Bau elemente, die für eine Fassadenverkleidung oder als Dachele mente geeignet sind und einen erfindungsgemäßen Sonnenenergie kollektor beinhalten.The invention relates to a solar energy collector for the Hot water supply or heating of buildings and construction elements for a facade cladding or as a roof panel are suitable and a solar energy according to the invention include collector.
Es sind bereits eine Anzahl von Sonnenenergiekollektoren bekannt, die sich im wesentlichen in der Ausführung des die Sonnenstrahlung absorbierenden Absorbers unterscheiden.There are already a number of solar energy collectors known, which is essentially in the execution of the Differentiate absorber absorbing solar radiation.
Aus der EP 0 346 820 A1 ist ein Sonnenenergiekollektor bekannt, der ein spezielles Profil des das Kühlmedium beinhaltenden Roh res aufweist und somit in der Lage ist, Sonnenstrahlen unter verschiedenen Einfallswinkeln, im tageszeitlichen Mittel be trachtet, effektiv zu absorbieren. Der Absorber befindet sich in einem Gehäuse, das auf der sonnenzugewandten Seite mit einer Glasplatte abgeschlossen ist und auf der sonnenabgewandten Seite mit einem Isoliermaterial versehen ist, um eine Abkühlung des Absorbers durch Wärmeleitung oder Strahlungsverluste zu vermeiden. Der Absorber ist so angeordnet, daß er einen Abstand sowohl von der Glasplatte als auch dem Isoliermaterial auf weist, wobei das Volumen zwischen der Glasplatte und dem Absorber einerseits und dem Isoliermaterial und dem Absorber andererseits mit Umgebungsluft gefüllt ist.A solar energy collector is known from EP 0 346 820 A1, which has a special profile of the raw material containing the cooling medium res and is therefore able to keep out sun rays different angles of incidence, on average during the day seeks to absorb effectively. The absorber is located in a housing with a Glass plate is completed and facing away from the sun Side is provided with an insulating material to cool down of the absorber due to heat conduction or radiation losses avoid. The absorber is arranged so that it is a distance from both the glass plate and the insulating material points, the volume between the glass plate and the Absorber on the one hand and the insulating material and the absorber on the other hand is filled with ambient air.
Nach längerer Standzeit, insbesondere während der Nacht, ist der Absorber nicht ausreichend erhitzt, so daß Feuchte aus der von dem Gehäuse beinhalteten Luft an dem Absorber kondensieren kann. Bei Inbetriebnahme eines Sonnenenergiekollektorsystems, bei dem der Innenraum des Gehäuses mit der Außenluft in Verbin dung steht, weist das in den Absorber einströmende Kühlmedium im Vergleich zu der von dem Gehäuse beinhalteten Luft eine relativ niedrige Temperatur auf, und die Feuchte aus der von dem Gehäuse beinhalteten Luft kondensiert an den mit dem ein strömenden Kühlmittel in Verbindung stehenden Zuleitungen und Teilen des Absorbers. After a long standstill, especially during the night the absorber is not heated sufficiently, so that moisture from the Air contained in the housing condenses on the absorber can. When commissioning a solar energy collector system, where the interior of the housing is connected to the outside air the cooling medium flowing into the absorber compared to the air contained in the housing relatively low temperature, and the humidity from that of air contained in the housing condenses to that with the flowing coolant-related supply lines and Share the absorber.
Diese Kondensation kann zu einer Korrosion der entsprechenden Teile des Leitungssystems, verbunden mit einer wesentlichen Verringerung der Lebensdauer des Sonnenenergiekollektors, und zu einer Abnahme des Wirkungsgrades des Sonnenenergiekollektors führen. Auf diese Gefahr der Bildung von Kondenswasser wird in der genannten Patentanmeldung ausdrücklich hingewiesen. Es wird daher vorgeschlagen, die Dichtung des Gehäuses unterbrochen auszuführen, um den Austausch der von dem Gehäuse beinhalteten Luft mit der Außenluft zu ermöglichen. Eine solche Belüftung des Sonnenkollektorgehäuses stellt jedoch keinen ausreichenden Schutz gegen die Bildung von Kondenswasser und die damit ver bundene Korrosion dar, insbesondere wenn die Umgebungsluft eine hohe relative Feuchte aufweist. Da die Konvektion und Wärmelei tung von Luft relativ groß ist, sind bei luftgefüllten Sonnen energiekollektoren ferner relativ große Abstände zwischen der Glasplatte und dem Absorber einzuhalten, um eine Limitierung des Wirkungsgrades aufgrund der Konvektion und Wärmeleitung durch zu vermeiden. Dies führt zu großen Aufbauhöhen dieser Kollektoren.This condensation can lead to corrosion of the corresponding Parts of the pipe system connected to an essential one Reducing the life of the solar energy collector, and to a decrease in the efficiency of the solar energy collector to lead. At this risk of condensation is in the patent application mentioned expressly pointed out. It will therefore proposed to interrupt the seal of the housing to carry out the replacement of those contained in the housing To allow air with the outside air. Such ventilation of the solar collector housing, however, is not sufficient Protection against the formation of condensation and the ver bound corrosion, especially if the ambient air is a has high relative humidity. Because the convection and heat air is relatively large, are in air-filled suns energy collectors also relatively large distances between the Glass plate and the absorber to comply with a limitation the efficiency due to convection and heat conduction to avoid by. This leads to great heights of construction Collectors.
Zur Vermeidung dieser Nachteile wurde bereits vorgeschlagen, das den Absorber beinhaltende Gehäuse zu evakuieren. Durch diese Maßnahme wird zwar die Bildung von Kondenswasser an dem Absorber ausgeschlossen, jedoch treten aufgrund der Evakuierung und des nur einseitig anliegenden, atmosphärischen Druckes hohe mechanische Spannungen auf. Die bei diesen Vakuumkollektoren übliche Bauform ist daher eine Röhrenanordnung, um die hohen statischen Kräfte geeignet aufnehmen zu können. Wie leicht ein zusehen ist, eignet sich eine solche Röhrenform des Gehäuses aus ästhetischen Gründen allenfalls für eine Montage auf Flach dächern. Eine unauffällige Integration solcher röhrenförmiger Kollektoren in Gebäudefassaden erscheint nicht möglich. Darüber hinaus ist der konstruktive Aufwand für ein solches Gehäuse eines Vakuumkollektors nicht gerechtfertigt.To avoid these disadvantages, it has already been proposed to evacuate the housing containing the absorber. By this measure does indeed cause the formation of condensation on the Absorber excluded, but occur due to evacuation and the atmospheric pressure, which is only applied on one side, is high mechanical stresses. The one with these vacuum collectors The usual design is therefore a tube arrangement to the high to be able to absorb static forces appropriately. How easy one such a tubular shape of the housing is suitable for aesthetic reasons at most for mounting on a flat surface roofs. An inconspicuous integration of such tubular Collectors in building facades do not appear possible. About that in addition, the design effort for such a housing a vacuum collector is not justified.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung für einen Sonnenenergiekollektor vorzuschlagen, bei der sowohl das Auftreten von Kondenswasser vermieden als auch bei einfachem mechanischen Aufbau und niedriger Aufbauhöhe ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden, wobei der Sonnenenergie kollektor eine Bauform aufweist, welche eine unauffällige und baulich einfache Integration in Gebäudefassaden ermöglicht. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Merkmale der nachgeordneten Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen.It is therefore the object of the present invention, a Propose an arrangement for a solar energy collector, at which both avoids the occurrence of condensed water as well with a simple mechanical construction and low construction height high efficiency can be achieved using solar energy collector has a design that is inconspicuous and structurally simple integration into building facades enables. The object is solved by the features of claim 1. The Features of the subordinate claims include advantageous ones Training.
Die Erfindung offenbart eine Vorrichtung zur Verlängerung der Lebensdauer eines beliebigen, bekannten Absorbers durch eine Einbettung des Absorbers in eine Inertgasatmosphäre.The invention discloses a device for extending the Lifetime of any known absorber through a Embedding the absorber in an inert gas atmosphere.
Die Erfindung wird im folgenden an in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below in the drawing illustrated embodiments explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Sonnenenergiekollektors; Figure 1 is a schematic representation of the solar energy collector according to the invention.
Fig. 2 einen Schnitt durch eine Gebäudeverglasung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Sonnenenergiekollektoren entsprechend einer ersten Ausführungsform; Fig. 2 is a section through a glazing buildings using solar energy collectors according to the invention according to a first embodiment;
Fig. 3 einen Schnitt durch eine Gebäudeverglasung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Sonnenenergiekollektors entsprechend einer zweiten Ausführungsform. Fig. 3 shows a section through a building glazing using an inventive solar energy collector according to a second embodiment.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist bei dem erfindungsgemäßen Sonnen energiekollektor 1 ein Absorber, bestehend aus einer Absor berfläche 3 und einem ein Kühlmedium enthaltenden Kühlsystem 2 so angeordnet, daß die durch ein transparentes Substrat 4 hin durchtretende Sonnenstrahlung auf die Absorberfläche 3 fällt. As shown in Fig. 1, in the inventive suns energy collector 1, an absorber consisting of a sublingually berfläche 3 and a cooling medium containing the cooling system 2 so arranged that the back by passing through a transparent substrate 4 solar radiation incident on the absorber surface 3.
Die Absorberfläche 3 kann z. B. durch ein einseitig schwarz ge färbtes oder eloxiertes Metallblech gebildet werden. Das Kühl system 2 kann z. B. aus einem schlangenlinienförmig angeordneten Metallrohr bestehen, wobei Metallen mit hoher Wärmeleitfähig keit, wie z. B. Kupfer, der Vorzug zu geben ist. Vorzugsweise wird die Oberfläche des Absorbers derart beschichtet, daß die Abstrahlung von thermischer Strahlung (im Infrarotbereich) herabgesetzt wird.The absorber surface 3 can, for. B. are formed by a one-sided black colored or anodized metal sheet. The cooling system 2 can, for. B. consist of a serpentine arranged metal tube, metals with high thermal conductivity, such as. B. copper, is to be preferred. The surface of the absorber is preferably coated in such a way that the radiation of thermal radiation (in the infrared range) is reduced.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Gebäudeverglasung, in der erfindungsgemäße Sonnenenergiekollektoren 1 entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung integriert sind. Das optisch transparente Substrat 4, das z. B. durch eine Glasplatte gebil det sein kann, bildet zusammen mit einem zweiten Substrat 10, das z. B. durch eine Glas- oder Metallplatte gebildete sein kann, und allseitig im Randbereich angeordneten Seitenelementen 12, 13 ein Gehäuse, in welches der Absorber 2, 3 eingebettet ist. Das Volumen 11 des Gehäuses wird gasdicht gegenüber der Außen luft abgeschlossen und ist mit einem Inertgas gefüllt. Durch die gasdichte Ausgestaltung des Gehäuses und die Füllung des selben mit einem Inertgas, das keine Feuchtigkeit enthält, wird sichergestellt, daß beim Betrieb des Kühlsystems 2 kein Kondens wasser gebildet wird. Eine Korrosion des Absorbers wird daher unterbunden, und die Lebensdauer des Sonnenenergiekollektors wird wesentlich verlängert bei gleichzeitiger Erhöhung des Wirkungsgrades. Fig. 2 shows a section through a building glazing, in which solar energy collectors 1 according to the invention are integrated according to a first embodiment of the invention. The optically transparent substrate 4 , the z. B. can be gebil det through a glass plate, forms together with a second substrate 10 , the z. B. can be formed by a glass or metal plate, and arranged on all sides in the edge region side elements 12 , 13, a housing in which the absorber 2 , 3 is embedded. The volume 11 of the housing is gas-tight to the outside air and is filled with an inert gas. The gas-tight design of the housing and the filling of the same with an inert gas which contains no moisture ensures that no condensation water is formed during operation of the cooling system 2 . Corrosion of the absorber is therefore prevented and the lifespan of the solar energy collector is considerably extended while at the same time increasing the efficiency.
Desweiteren wird der Wirkungsgrad dadurch erhöht, daß als Inertgas ein Gas Verwendung findet, das eine geringe Neigung zur Konvektion und damit zur Übertragung der Wärme von der Ab sorberfläche 3 auf das Substrat 4 aufweist. Durch Verwendung der Edelgase Argon, Krypton oder Xenon werden die genannten Vorteile einer geringen Korrosion des Absorbers mit einer geringen Wärmeübertragung durch Konvektion und Wärmeleitung vereint. Darüber hinaus weisen Inertgase und insbesondere Edelgase den Vorteil auf, daß sie mit dem Absorber oder sonstigen Elementen des Sonnenenergiekollektors 1 keine chemische Reaktion eingehen. Aufgrund der geringen Neigung zur Konvektion der genannten Edelgase läßt sich der Abstand zwischen dem Substrat 4 und der Absorberfläche 3 gegenüber einem mit Luft gefüllten Sonnenenergiekollektor wesentlich, d. h. auf 8 mm u. U. sogar weniger, verringern. Gegenüber einem Vakuumkollektor ergibt sich ein einfacher, mechanisch stabiler und spannungsfreier Aufbau, dessen flache Ausgestaltung die Integration in Gebäudeverglasungen erlaubt.Furthermore, the efficiency is increased in that a gas is used as the inert gas, which has a slight tendency to convection and thus to transfer the heat from the absorber surface 3 to the substrate 4 . By using the noble gases argon, krypton or xenon, the mentioned advantages of low corrosion of the absorber are combined with low heat transfer through convection and heat conduction. In addition, inert gases and in particular noble gases have the advantage that they do not undergo a chemical reaction with the absorber or other elements of the solar energy collector 1 . Due to the low tendency to convection of the noble gases mentioned, the distance between the substrate 4 and the absorber surface 3 can be increased significantly compared to an air-filled solar energy collector, ie to 8 mm and. May reduce even less. Compared to a vacuum collector, this results in a simple, mechanically stable and stress-free construction, the flat design of which allows integration into building glazing.
Die erfindungsgemäßen Sonnenenergiekollektoren lassen sich z. B. für eine Gebäudeverglasung in der in Fig. 2 gezeigten Weise modular anordnen. Die Sonnenkollektoren werden dabei an ihrem Randbereich mittels Befestigungselemente 15, 19 an den tragenden Elementen 14, 18 der Gebäudefassade befestigt. Um eine unter schiedliche thermische Ausdehnung der Sonnenenergiekollektoren 1 und des Abstands der tragenden Elemente 14, 18 zu gewährlei sten und die Substrate 4, 10 bei der Montage nicht zu beschä digen, sind zweckmäßigerweise Elemente 16, 17, 20, 21 aus einem elastischen Material zwischen den Befestigungselementen 15, 19 und den Sonnenenergiekollektoren 1 einerseits und den tragenden Elementen 14, 18 und den Sonnenenergiekollektoren 1 andererseits anzuordnen. Die Zufluß- bzw. Abflußleitungen 24 der Sonnenener giekollektoren 1 können vorteilhaft in den Zwischenräumen 22 zwischen den Befestigungselementen 15, 19 und den tragenden Elementen 14, 18 oder in den Innenräumen 23 der tragenden Elemente 14, 18 verlegt werden.The solar energy collectors according to the invention can, for. B. modular for a building glazing in the manner shown in Fig. 2. The solar panels are fastened at their edge area by means of fastening elements 15 , 19 to the load-bearing elements 14 , 18 of the building facade. In order to ensure a different thermal expansion of the solar energy collectors 1 and the distance between the load-bearing elements 14 , 18 and not to damage the substrates 4 , 10 during assembly, elements 16 , 17 , 20 , 21 are expediently made of an elastic material between the fastening elements 15 , 19 and the solar energy collectors 1 on the one hand and the supporting elements 14 , 18 and the solar energy collectors 1 on the other hand. The inflow or outflow lines 24 of the solar energy collectors 1 can advantageously be installed in the spaces 22 between the fastening elements 15 , 19 and the supporting elements 14 , 18 or in the interior 23 of the supporting elements 14 , 18 .
Die beschriebenen Sonnenenergiekollektoren 1 können entspre chend der in Fig. 2 gezeigten Anordnung vorteilhaft in Stan dardisolierverglasungen integriert werden. Insbesondere können die für Standardisolierverglasungen üblichen Befestigungsele mente 15, 19 und tragenden Elemente 14, 18 verwendet werden. Die Konstruktion von speziellen Montageprofilen, wie dies für die Verwendung von Sonnenkollektoren nach dem Stand der Technik in Gebäudefassaden notwendig wäre, ist bei den erfindungsge mäßen Sonnenkollektoren nicht notwendig, da diese eine derart niedrige Aufbauhöhe aufweisen, daß diese mit den für Gebäude verglasungen üblichen Standardbefestigungselementen montiert werden können.The described solar energy collectors 1 can accordingly be integrated according to the arrangement shown in FIG. 2 advantageously in standard insulating glazing. In particular, the fastening elements 15 , 19 and load-bearing elements 14 , 18 which are customary for standard insulating glazing can be used. The construction of special mounting profiles, as would be necessary for the use of state-of-the-art solar panels in building facades, is not necessary for the solar panels according to the invention, since these have such a low installation height that they are mounted with the standard fastening elements for building glazing can be.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch eine Gebäudeverglasung, in der erfindungsgemäße Sonnenenergiekollektoren 1 entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung integriert sind. Bei dieser Ausführungsform wird durch das transparente Substrat 4, die Absorberfläche 3 und allseitig angeordnete Seitenelemente 12, 13 ein Volumen 11 definiert, das mit dem oben beschriebenen Inertgas gefüllt ist. Die Rückseite der Absorberfläche 3 und das Kühlsystem 2 befinden sich bei dieser Ausführungsform nicht innerhalb des mit dem Inertgas gefüllten Volumens 11. Der Ab sorber kann daher auf der von der Sonneneinstrahlung abge wandeten Seite mittels eines Isoliermaterials 30 sehr wirksam gegen Wärmeverluste geschützt werden. Das Isoliermaterial 30 kann zumindest auf der dem Absorber zugewandten Seite mit einer thermisch Infrarot-Strahlung reflektierenden Schicht versehen sein, um die Isolierwirkung zu verbessern. Ein Abschlußelement 31 schließt dabei das Isoliermaterial ab. Das Abschlußelement 31 kann, wie in Fig. 3 gezeigt, U-förmig ausgebildet sein, um das Isoliermaterial auch seitlich zu umfassen und die Montage zu erleichtern. Die Sonnenenergiekollektoren können, wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, mittels Befesti gungselementen 15, 19 an den tragenden Elementen 14, 18 der Gebäudefassade befestigt werden. Auch diese Ausführungsform ermöglicht einen modularen Aufbau der Gebäudeverglasung und die Verlegung der Zufluß- bzw. Abflußleitungen des Sonnenenergie kollektors in den Zwischenräumen 22 oder den Innenräumen 23 der tragenden Elemente 14, 18 ermöglicht. Fig. 3 shows a section through a building glazing, in which solar energy collectors 1 according to the invention are integrated according to a second embodiment of the invention. In this embodiment, the transparent substrate 4 , the absorber surface 3 and side elements 12 , 13 arranged on all sides define a volume 11 which is filled with the inert gas described above. In this embodiment, the rear of the absorber surface 3 and the cooling system 2 are not within the volume 11 filled with the inert gas. From the sorber can therefore be very effectively protected against heat loss on the side facing away from the sun by means of an insulating material 30 . The insulating material 30 can be provided with a layer reflecting thermal infrared radiation at least on the side facing the absorber in order to improve the insulating effect. A closing element 31 closes off the insulating material. As shown in FIG. 3, the end element 31 can be U-shaped in order to also enclose the insulating material laterally and to facilitate assembly. As in the first embodiment described above, the solar energy collectors can be fastened by means of fastening elements 15 , 19 to the supporting elements 14 , 18 of the building facade. This embodiment also enables a modular structure of the building glazing and the laying of the inflow or outflow lines of the solar energy collector in the spaces 22 or the interiors 23 of the load-bearing elements 14 , 18 .
Claims (14)
- - einem Absorber (2, 3), der eine Sonnenstrahlung absorbie rende Absorberfläche (3), die im wesentlichen der Einfalls richtung der Sonnenstrahlung zugewandt ist, und ein mit der Absorberfläche (3) in Verbindung stehendes Kühlsystem (2), in dem ein Kühlmedium umwälzbar ist, das die von der Absorberfläche (3) absorbierte Strahlungswärme aufnimmt, aufweist und
- - einem der Absorberfläche (3) in Richtung der einfallenden Sonnenstrahlung gegenüberliegenden, optisch transparenten, ersten Substrat, das Bestandteil eines Gehäuses ist, das zumindest das zwischen dem transparenten Substrat (4) und der Absorberfläche (3) befindliche Volumen (11) einschließt,
- - An absorber ( 2 , 3 ), which absorbs a solar radiation absorbing surface ( 3 ), which essentially faces the direction of incidence of the solar radiation, and a cooling system ( 2 ) in connection with the absorber surface ( 3 ) in which a cooling medium is circulating, which absorbs the radiant heat absorbed by the absorber surface ( 3 ), and
- an optically transparent first substrate, which is opposite the absorber surface ( 3 ) in the direction of the incident solar radiation and is part of a housing which at least encloses the volume ( 11 ) located between the transparent substrate ( 4 ) and the absorber surface ( 3 ),
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