DE4234967A1

DE4234967A1 - Solarkollektor

Info

Publication number: DE4234967A1
Application number: DE4234967A
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof Dr Ing Schmidt; Ralph Dipl Ing Schoenherr
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-10-16
Filing date: 1992-10-16
Publication date: 1994-04-21

Description

Die Erfindung betrifft einen Solarkollektor zur thermi schen Energiekonversion nach dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1.

Das Anwendungsgebiet des Solarkollektors reicht von der Prozeßwärmeerzeugung bis zum Einsatz für Heizung und Kli matisierung.

Volumetrische Strahlungsabsorber, bei denen die Strah lungsabsorption räumlich verteilt in einem Absorbervolumen erfolgt, das zugleich im Direktkontakt mit dem den Absor ber durchströmenden Wärmeträger steht, sind u. a. aus den Patentschriften
CH 654 650
DE 31 18 024
DE 28 31 023
DE 26 41 325
US 40 95 428
US 29 98 005 und aus Winter, C.-J.; Sizmann, R.L.; Vant- Hull, L.L. Solar Power Plants, S. 185 ff. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1991.

Darüberhinaus wird in DE-GM 80 07 759 ein Strahlungsempfänger vorgestellt, der aus einem Hohlkörper mit einer Öffnung für den Strahlungseintritt und einem im Hohlkörper angeordneten Absorber aus Keramik, der die durch die Öffnung einfallende Strahlenenergie aufnimmt und als Wärmestrahlung an einen Wärmeträger abgibt, besteht.

Das Wesen der vorstehend genannten Erfindung besteht da rin, daß der Absorber an der der Sonneneinstrahlung zuge kehrten Seite aus einem Keramikmaterial aufgebaut ist, das einen niedrigen Emissionswert und einen hohen Absorptions wert hat, und daß die dem Wärmeträger zugekehrte Seite des Absorbers Keramikmaterial mit hohem Emissionswert und einem niedrigen Absorptionswert aufweist.

Die Verwendung von selektiv absorbierenden Materialien (z. B. Farbglasfiltern) ist in der optischen Technik weit verbreitet. Aus der photovoltaischen Solartechnik sind mehrschichtig aufgebaute Absorber, bei denen jede Schicht einen bestimmten Spektralbereich des Sonnenlichtes selek tiv absorbiert, für Lichtquanten außerhalb dieses Spek tralbereiches aber transparent sind, aus Goetzberger, A. u. a.: Solarenergienutzung auf der Basis von Fluoreszenz kollektoren; Eggenstein-Leopoldshafen 1984, bekannt.

In DE 33 42 654 wird über selektiv absorbierende Beschich tungen für Solarkollektoren informiert, die durch einmali ges oder mehrmaliges Aufsprühen von thermisch zersetzba ren, in organischen Lösungsmitteln oder Lösungsmittelgemi schen gelösten Metallverbindungen aufgebracht sind. Es handelt sich hierbei um eine aus Reflektor und Absorber schicht bestehender Tandemschicht für die fotothermische Umwandlung von Sonnenlicht.

Desweiteren wird in EP 01 74 12 eine solarselektive Ober flächenbeschichtung beschrieben, die auf der äußeren Ober fläche der inneren Wandung eines eine Wärmeträgerflüssig keit transportierenden konzentrischen Rohres aufgebracht ist.

Diese Oberflächenbeschichtung besteht aus 3 Schichten, einer inneren Schicht aus Metall mit einer hohen Reflexion im infraroten Spektralbereich, einer äußeren Schicht mit Halbleitereigenschaften sowie einer Zwischenschicht aus dielektrischem Material.

Volumetrische Absorber mit gegenstromartiger Wärmeübertra gung sind unter technischen Aspekten eine ausgezeichnete Möglichkeit zur thermodynamisch optimalen Realisierung des Gesamtprozesses Strahlungsabsorption-Wärmeübertragung.

Bekannte Konstruktionen volumetrischer Absorber nutzen den erzielbaren Effekt einer verbesserten Exergieausbeute durch einen sich in Strömungsrichtung ändernden spektralen Transmissionsgrad des Absorbermaterials oder des Mediums nicht. Der hypothetische Grenzfall dieses Effektes wäre die Vollselektivität. Dazu wird der Absorber in unendlich viele, d. h. differentielle Elemente unterteilt, von denen jedes Element nur eine bestimmte Wellenlänge λ mit dem Intervall Δλ absorbiert und seinen Nutzwärmestrom bei einer exergetisch optimalen Temperatur abgibt.

Infolge der Nichtselektivität bekannter volumetrischer Absorber wird die hohe Exergie des Sonnenlichtes gegenüber der des aus dem Kollektor abgeführten Mediums stark abge wertet.

Weiterhin wird eine in Strömungsrichtung anzustrebende gleichmäßige Energieübertragung an das Fluid durch die Dominanz des Extinktionsgesetzes (exponentielle Abnahme zuführbarer Energie) konstruktiv schwierig umsetzbar.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Absorberaufbau vorzusehen, bei dem die Exergieausbeute durch einen sich in Strömungsrichtung gezielt ändernden spektralen Trans missionsgrad des Absorbermaterials wesentlich erhöht wird.

Mit dem neuen Solarkollektor soll also das Problem gelöst werden, die Strahlungs- und Wärmeverluste von Solarkollek toren zu minimieren und die Exergie der Strahlung weit gehend zu erhalten.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß der Solarkol lektor einen vom Energieträgermedium durchströmten volume trischen Absorber enthält, der aus mehreren Material schichten unterschiedlicher spektraler Transmission aufge baut ist.

Dabei sind die einzelnen Materialschichten des Absorbers so angeordnet, daß die obere, der einfallenden Strahlung zugewandte Schicht insbesondere den langwelligen infraro ten Bereich und jede nachfolgende Schicht bevorzugt einen Bereich kürzerer Wellenlänge selektiv absorbiert.

Durch diesen erfindungsgemäßen Aufbau des Absorbers wird erreicht, daß Sonnenlicht im gesamten energetisch nutz baren Spektralbereich durch Absorbermaterial und Medium absorbiert werden kann, und die Zunahme des Exergiegehal tes der absorbierten Strahlung in Strömungsrichtung nähe rungsweise proportional zur Temperaturzunahme des Mediums in dieser Richtung ist.

Der somit aus mehreren Materialschichten bestehende Absorber füllt den Kollektorhohlraum mit Ausnahme des flächigen Eintrittsspaltes oberhalb der ersten Absorber schicht und des in gleicher Weise flächigen Antrittsspal tes unterhalb der letzten Absorberschicht nahezu vollstän dig aus.

Dabei sind die Absorberschichten funktionsbedingt so strukturiert, daß die Durchlässigkeit für das Wärmeträger medium durch Strömungskanäle in Sedimenten, Filzen und als Kapillaren gegeben ist.

Für gasförmige Wärmeträgermedien sind auch pigmentierte Aerogelgranulate in sedimentierter Form durch ihre geringe Wärmeleitung besonders geeignet.

Die sich durch verfestigte Schüttung, thermische Sedimen tierung sowie sonstige Beschaffenheit der Absorberschich ten einstellende Porosität muß einen ausreichenden Strö mungswiderstand gewährleisten, der eine gleichmäßige Durchströmung des Kollektors auch bei den üblichen Schräg lagen sicherstellt.

Die resultierenden Porosität

sollte vorzugsweise im Bereich 0,3 . . . 0,5 liegen.

Der konstruktiv einzustellende Differenzdruck der Luftsäu len im Ein- und Austrittsspalt Δp_A wird beispielsweise für Gase mit folgender aus der Literatur bekannter Glei chung berechnet.

Dabei sind
p_u - Umgebungsdruck
g - Erdbeschleunigung
L - Länge des Kollektors
γ - Kollektorneigung
R - Gaskonstante
T₁ - mittlere Temperatur am Eintrittsspalt
T₂ - mittlere Temperatur am Austrittsspalt.

Funktionsbedingung ist, daß der Druckabfall über dem Absorber größer als der errechnete Wert Δp_A ist, sich also ein möglichst grober Druckverlust einstellt. Bei wesentlicher Überschreitung von Δp_A sind allerdings die höheren Druckverluste zu berücksichtigen.

Die Länge des Absorbers, gemessen parallel zum Einlauf spalt, sollte auch unter Berücksichtigung einer stabilen Betriebsweise/Durchströmung bei Schräglagen des Kollektors die üblichen Transportabmessungen von ca. 1,50 m nicht über schreiten.

Die Einstellung der gewünschten Absorptionseigenschaften der Materialschichten des Absorbers zum Erreichen der erfindungswesentlichen spektralen Selektivität erfolgt durch entsprechende Pigmentierung der einzelnen Absorber schichten.

Als weitere wesentliche technische Anforderungen an die Materialeigenschaften der Absorberschichten sind zu nennen:

- die Lichtbeständigkeit, besonders gegenüber UV-Licht,
- die Beständigkeit gegenüber dem Wärmeträgermedium,
- ein möglichst kleiner Wärmeleitkoeffizient,
- die Beständigkeit gegenüber hohen Stillstandstemperatu ren im Kollektor.

Von diesen Anforderungen ausgehend empfehlen sich zum Einsatz als Material für die Absorberschichten vorzugs weise Glasgranulate, sedimentierte Glassande oder Glas filze.

Beim Betrieb des Kollektors mit gasförmigen Energieträger medien sind auch pigmentierte Aerogelgranulate in sedimen tierter Form einsetzbar.

Darüberhinaus ist die Verwendung von thermochromen Mate rialien (Gele) besonders geeignet, allerdings liegen die Kosten noch sehr hoch.

Für die technische Ausführung des Absorbers wird bei Ein satz eines flüssigen Mediums vorzugsweise ein 3-Schicht- Aufbau gewählt; bei gasförmigen Medien wird vorzugsweise ein 2-Schicht-Aufbau vorgesehen.

Zur Ergänzung der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin dung wird auf der der untersten Absorberschicht zugewand ten Oberfläche der Innenwandung des Kollektorhohlraumes eine reflektierende Schicht aufgebracht, wodurch die Kollektorverluste vermindert werden.

Emittiert eine Absorberschicht Strahlung mit einer Wellen länge, die in keiner anderen Schicht mehr absorbiert wer den kann, so minimiert die Strahlungsreflexion im Kollek tor diesen Verlust.

Soll der Kollektor mit Vorlauftemperaturen betrieben wer den, die wesentlich höher als die der Umgebung sind, kön nen die oberseitigen Wärmeverluste mit einer zusätzlichen transparenten Wärmedämmung oder transparenten Abdeckung vermindert werden.

Mit der Erfindung sind die folgenden wesentlichen Vorteile erzielbar.

- Der volumetrische mehrschichtige Absorber zeichnet sich durch eine sehr günstige Exergieerhaltung aus. Damit kann das Medium auf hohe Temperaturen erwärmt werden.
- Die durch das Betriebsregime beeinflussbaren obersei tigen Strahlungs- und Wärmeverluste des Kollektors sind primär nur von der Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf- und Umgebungstemperatur abhängig. Ist diese Temperaturdif ferenz negativ, wirkt die Abdeckung wie ein zusätzlicher Wärmeabsorber; der erreichbare Wirkungsgrad kann dann u. U. größer als eins werden. Der Kollektor eignet sich beson ders für die Einbindung in Low-Flow-Systeme, bei denen die temperaturorientierte Speichereinspeisung die Vorlauftem peratur auf ein Minimum begrenzt.

Aufgrund der sehr groben wärmeübertragenden Oberfläche des Absorbers pro Volumeneinheit ist der Kollektor auch für Medien mit kleineren Wärmeübergangskoeffizienten (Gase) geeignet.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Solarkollektor mit flüssigem Wärmeträger;

Fig. 2 die analoge Darstellung für einen Luftkollektor.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Längs schnitt in Fig. 1 dargestellt.

Der hier gezeigte Solarkollektor ist für den Betrieb mit einem flüssigen Energieträgermedium, beispielsweise Wasser, ausgelegt.

Die tragende Rahmenkonstruktion sowie die Wärmedämmung der Seitenwände und der Rückwand des Solarkollektors sind in der Zeichnung unter der Ziffer 10 zusammengefaßt.

Der Wärmeträger 1 gelangt unter Druck in den Eintrittsver teiler 7, der die Strömung quer zum Eintrittsspalt 3 gleichmäßig verteilt. Das sich im Eintrittsspalt 3 befind liche Medium durchströmt dann den Absorber 2 in der ange gebenen Richtung. Der Absorber ist hier exemplarisch aus drei porösen sedimentartigen Schichten 2.1, 2.2 und 2.3 aufgebaut, die unterschiedliche Spektralbereiche der ein fallenden Strahlung bevorzugt absorbieren.

Die Absorberschichten werden als Glasschüttung mit unter schiedlicher Pigmentierung ausgeführt. Es handelt sich dabei um Kugelschüttungen mit einer resultierenden Porosi tät von etwa 0,4.

Der Wirkungsmechanismus kann wie folgt beschrieben werden. Die Strahlung trifft auf die Abdeckung 9.1 und gelangt auf die Absorberoberseite. Dabei geht ein Teil der Strahlung durch Reflexion und Absorption an bzw. in der Abdeckung 9.1 verloren. Insbesondere langwellige Spektralbereiche werden bereits in der Abdeckung und eventuell auch von dem sich im Eintrittsspalt 3 befindlichen flüssigen Wärmeträ ger absorbiert. Die noch verbleibende und die emittierte langwellige Strahlung wird in der ersten Absorberschicht 2.1 absorbiert, die diese absorbierte Energie im Direkt kontakt an das Medium überträgt. Dabei korrespondiert der niedrige Exergiegehalt der absorbierten langwelligen Strahlung mit der noch niedrigen Temperatur des Mediums.

Die weitere Erwärmung des Mediums findet analog in den Schichten 2.2 und 2.3 des Absorbers statt, wobei der Exer giegehalt der absorbierten Strahlung der Schicht 2.3 größer als der Exergiegehalt der Schicht 2.2 ist. Die energiereiche Strahlung wird also in den unteren Absorber schichten absorbiert. Das erwärmte Medium wird über den Antrittsspalt 4 und den Austrittssammler 8 abgeführt. Die Reflexion der nichtabsorbierten Strahlung erfolgt an der Fläche 6, die beispielsweise aus einer Aluminiumfolie besteht.

Bei Betrieb des Kollektors in Schräglagen muß der Absorber in Abhängigkeit der thermischen Auftriebskraft des verwen deten Mediums einen ausreichenden Strömungswiderstand aufweisen, um die gleichmäßige Durchströmung des Kollek tors zu gewährleisten.

Damit verbunden ist das Erfordernis einer von außen aufzu bringende Druckdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf.

Der Kollektor kann mit einer zusätzlichen transparenten Abdeckung oder Wärmedämmung 9.2 versehen werden, wenn im Betriebsregime Vorlauftemperaturen vorherrschen, die wesentlich über der Umgebungstemperatur liegen.

Fig. 2 zeigt eine Ausführung des erfindungsgemäßen Solar kollektors als Luftkollektor. Hier besteht der Absorber aus 2 Schichten eines sedimentierten Aerogelgranulates bei ansonsten gleichem prinzipiellen Aufbau des Kollektors.

Die erste Schicht 2.1 besitzt etwa gleiche spektrale Transmissionseigenschaften wie das für die Abdeckung 9.1 gewählte Material, d. h. die Abbruchkante für den infraroten Bereich endet für beide Bauelemente bei annähernd gleicher Wellenlänge λ_A.

Diese obere Schicht 2.1 absorbiert im wesentlichen nur Strahlung, die von der darunterliegenden Schicht 2.2 emittiert wird.

Die zweite Schicht 2.2 wird durch Pigmentierung so einge stellt, daß im wesentlichen der kürzerwellige Bereich des Sonnenlichtes bis zu dieser Abbruchkante selektiv absor biert wird.

Der Durchmesser der für die zwei Absorberschichten einge setzten Granulatkügelchen wird möglichst klein gewählt, beispielsweise 4 mm, um durch einen ausreichenden Strö mungswiderstand des Absorbers die gleichmäßige Durchströ mung des Kollektors bei Montage in Schräglagen zu gewähr leisten.

Der Wärmeleitkoeffizient von pigmentierten Aerogelen liegt bei

λ (100°C) 0,04 W/mK bzw.
λ (150°C) 0,06 W/mK.

Claims

1. Solarkollektor zum effizienten Bereitstellen eines hochtemperierten Energieträgermediums mit einem im Kollek torhohlraum befindlichen volumetrischen Strahlungsabsor ber, der vom Energieträgermedium durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der volumetrische Absorber aus mehreren Materialschichten (2) unterschiedlicher spektra ler Transmission aufgebaut ist, wobei die Materialschich ten so angeordnet sind, daß die obere, dem Licht zuge wandte Schicht des Absorbers bevorzugt den langwelligen infraroten, jede folgende Schicht bevorzugt einen Bereich kürzerer Wellenlänge als die jeweils darüberliegende Schicht des auf den Absorber auftreffende Sonnenlichtes selektiv absorbiert und daß das Energieträgermedium (1) in Richtung des sich in den Materialschichten des volumetrischen Absorbers ausbil denden Temperaturgradienten strömt.

2. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus mehreren Material schichten (2) bestehende Absorber den Kollektorhohlraum mit Ausnahme des flächigen Eintritts-und Austrittsspaltes (3, 4) nahezu ausfüllt.

3. Solarkollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pigmentierbarkeit der Materialschichten (2) entsprechend der gewünschten Absorp tionseigenschaften einstellbar ist und die Materialschich ten so strukturiert sind, daß die Durchlässigkeit für das Wärmeträgermedium (1) bei Einstellung eines betriebsbe dingten Druckverlustes über dem Absorber mittels vorhan dener Strömungskanäle gegeben ist.

4. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialien für die Absorberschichten (2) vorzugsweise Sedimente und Filze eingesetzt sind.

5. Solarkollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz eines flüssigen Energieträgersmediums (1) als Materialien für die Absor berschichten (2) vorzugsweise Glasgranulate, sedimentierte Glassande oder Glasfilze Anwendung finden.

6. Solarkollektor nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz eines gasförmigen Energieträgermediums (1) für die Absorberschichten (2) auch pigmentierte Aerosolgranulate in sedimentierter Form einsetzbar sind.

7. Solarkollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialien für die Absorberschichten (2) thermochrome Materialien (Gele) einsetzbar sind.

8. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber beim Einsatz eines flüssigen Energieträgermediums (1) vorzugsweise aus 3 Materialschichten (2) aufgebaut ist.

9. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 sowie 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber beim Einsatz eines gasförmigen Energieträgermediums (1) vorzugsweise aus 2 Materialschichten (2) aufgebaut ist.

10. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5 sowie 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz geschütteter Sediment-Materialien für die Absorberschichten (2) die Porosität des Sediments, berechnet aus dem Quotienten von Porenvolumen zu Gesamtvolumen, im Bereich von 0,3 bis 0,5 liegt.

11. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reflexion der an der Absorberunterseite austretenden nichtabsorbierten und emittierten Strahlung auf der der untersten Absorber schicht (2.3) zugewandten Oberfläche der Innenwand (5) des Kollektorhohlraumes eine reflektierende Schicht (6) aufge bracht ist.