DE4237228C2 - Absorber für Solarkollektoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine neue Absorberkonfigu­ ration für Solarkollektoren, die mit dem Ziel der effekti­ veren Nutzung der Sonnenenergie für die Erwärmung von Flüssigkeiten entwickelt wurde.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet für derartige thermische Kollektoren ist die Bereitstellung von Brauchwasser für Haushalte und Freizeitanlagen.

Aus der DE 36 29 816 C2 ist ein Solarkollektor bekannt, bei dem der Absorber aus schwarzem Schaumglas auf der Basis von Aluminiumsilikat besteht, über den der flüssige Wärmeträger als gleichmäßiger Film verteilt in direktem Kontakt mit der der Sonneneinstrahlung zugewandten Fläche der Wärmedämmung fließt.

In der US 39 43 911 wird ein Solarkollektor beschrieben, bei dem die zu erwärmende Flüssigkeit auf der gesamten Absorberoberfläche des geneigten Kollektors unter dem Einfluß der Schwerkraft fließt. Es bildet sich dabei ein Flüssigkeitsfilm. Die Flüssigkeitsverteilung über die gesamte Absorberoberfläche erfolgt durch gesonderte Bau­ teile, wie horizontales Dosierrohr mit über die Länge des Dosierrohres bzw. die Breite des Absorbers verteilten Austrittsöffnungen.

Zur Funktionsfähigkeit solcher Lösungen ist jedoch festzu­ stellen, daß bei der Ausbreitung einer sich unter dem Einfluß der Schwerkraft bewegenden Flüssigkeitsschicht auf einer Festkörperoberfläche insbesondere die Oberflächen­ spannung der Flüssigkeit und die Benetzbarkeit der Fest­ körperoberfläche zu berücksichtigen sind.

Um die ganzflächige Durchströmung von offenen Absorbersys­ temen zu erreichen, wurden die Absorber als Granulat­ schüttung, Fasermatte oder offenporige Platte ausgebildet. Mit diesen Konfigurationen ist jedoch keine sichere, gleichmäßige Absorberdurchströmung zu erreichen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Betriebssicherheit und Effizienz von Solarkollektoren mit flächenhaft herabfließendem Wärmeträger unter allen prak­ tisch auftretenden Betriebszuständen zu gewährleisten.

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

Die Lösung der Aufgabe wird durch eine monopartikulare Beschichtung eines thermisch isolierenden Absorbers mit absorbierendem Glaspulver erreicht. Das durch die Kapil­ larkräfte der Pulverschicht in Verbindung mit dem Haf­ tungsgrund vorhandene hydrophile Verhalten gewährleistet eine gleichmäßige Benetzung der Absorberoberfläche.

Es ist damit Funktionsvoraussetzung und gleichermaßen das Konstruktionsprinzip des erfindungsgemäßen Absorbers, daß

• - die pro Einstrahlungsflächeneinheit zu erwärmende Masse hinsichtlich Flüssigkeit und Absorber sehr klein ist und
• - der Absorber mit einer maximalen Absorber- bzw. Kontakt­ oberfläche ausgeführt ist, wodurch der Wärmeträger­ flüssigkeitsfilm durch Nutzung der Strahlungsabsorption auf ein möglichst hohes Temperaturniveau erwärmt wird.

Zusätzlich sind Wärmeübergänge bei der Nutzung der Strah­ lungsenergie zu vermeiden.

Der neu entwickelte Absorber stellt sich als durchgängig feinprofilierte bzw. strukturierte Fläche dar, die vorzugs­ weise durch silikatische Materialien in verschäumter Form, als Faser oder Pulver gebildet wird.

Eine Absorberoberfläche mit Glaspulverbeschichtung in der vorgeschlagenen Ausführung erfüllt einerseits die Forde­ rung nach einem möglichst massearmen Absorber, zum anderen gewährleistet sie in Verbindung mit den beschriebenen konstruktiven Maßnahmen eine gleichmäßige ganzflächige Wärmeträgerschicht auf der Absorberoberfläche.

Der Absorber kann dabei als ganzheitliche Platte oder Matte ausgeführt sein. Die Wärmeträgerflüssigkeit wird über die Absorberoberfläche geführt, wobei sich der Flüs­ sigkeitsfilm kontinuierlich oder diskontinuierlich ausbil­ den kann.

Im drucklosen Zustand kann der Flüssigkeitsfilm durch einfaches Herabrieseln erzeugt werden.

Die Absorption der einfallenden Solarstrahlung erfolgt dabei

• a) in der Oberfläche des erfindungsgemäßen Absorbers, also beispielsweise der Absorberplatte oder -matte und/oder
• b) in der auf der Absorberoberfläche aufgebrachten Beschichtung (falls eine spezielle Absorberbeschichtung erfolgt ist) und/oder
• c) unmittelbar in der Wärmeträgerflüssigkeit.

Durch die Summe dieser Maßnahmen, die zum Teil wie angege­ ben alternativ erfolgen können, weist der Absorber gegen­ über herkömmlichen Anlagen bzw. Systemen neue Eigen­ schaftsparameter im dynamischen Verhalten auf.

Zum Betrieb des Absorbers gehört eine Steuereinrichtung, die die Ausbildung des Flüssigkeitsfilms, also die Dosie­ rung der dem Absorber zugeleiteten Flüssigkeitsmenge in Abhängigkeit solcher Parameter, wie Einstrahlungsverhält­ nisse, Betriebsbedingungen und Verbrauchsparameter über­ wacht.

Zur Erreichung der gewünschten hohen Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit kann das Medium auch mehrfach im Kreislaufbetrieb über die Absorberfläche geführt werden.

Mit der vorliegenden Erfindung ist es gelungen, die an der Energietransformation beteiligte Materialmasse so gering wie möglich zu halten, da der Absorber aus schlecht wärme­ leitendem Material besteht. Nach dem Prinzip der Strah­ lungsabsorption wird quasi nur die Materialoberfläche benötigt für die Ausbildung einer großen Absorberfläche, die in Ausdehnung und Volumen dem Flüssigkeitsfilm adäquat ist.

Das bedeutet, daß selbst eine geringe Einstrahlungsenergie eine starke Temperaturerhöhung in der absorbierenden Schicht bewirkt.

Um diese "Hochtemperaturenergie" als solche zu erhalten, ist es notwendig, sie mit einer entsprechend geringen Menge Wärmeträgerflüssigkeit in den Speicher zu transpor­ tieren.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Patent­ ansprüche verwiesen.

Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen Solarkollektor in Schnittdarstellung mit durch Pulver­ beschichtung fein profilierter Absorberoberfläche,

Fig. 2 die Ausführung des Absorbers mit durch Querrillenpro­ filierung wesentlich vergrößerter Kontaktober­ fläche.

In den bekannten Aufbau eines Solarkollektors ist zwischen Thermoscheibe mit Profilen 6 zur kammerförmigen Unterteilung und thermischer Isolation 7 der erfindungsgemäße Absorber als Absorberplatte 4 angeordnet.

Der Aufbau der Absorberplatte 4 aus im Sinne der Funk­ tionsweise aktiver Absorberoberfläche 1 und passivem Ab­ sorberträgermaterial ist aus der zu Fig. 1 und 2 gehörenden vergrößerten Darstellung eines Absorberausschnitts er­ sichtlich.

Deutlich erkennbar ist die durch Strukturierung bzw. Profilierung wesentlich vergrößerte Absorberoberfläche 1.

Zur Sicherstellung des gleichmäßigen, über die gesamte Absorberoberfläche verteilten Herabfließens der Wärme­ trägerflüssigkeit ist in der Ausführungsform nach Fig. 1 die thermisch isolierende Absorberplatte 4 mit einer sili­ katischen Pulverschicht 2 versehen. Die Teilchengröße der Pulverschicht liegt im Bereich von 100 . . . 1000 µm.

In der Ausführungsform nach Fig. 2 bewirkt die feinprofi­ lierte (wellblechförmige) Absorberoberfläche den horizon­ talen Ausgleich der Flüssigkeitsschicht.

Werden die kammerförmigen Unterteilungen durch Glasprofile gebildet, übernehmen sie die Verteilfunktion.

Als kammerförmige Profile können ggf. auch Hohlprofile eingesetzt werden.

Da die Absorberfläche prinzipiell gegenüber der vertikalen Achse geneigt ist, erfolgt die definierte Aufgabe des Flüssigkeitsfilms 3 auf die Absorberoberfläche 1 mittels eines Dosierrohres 5.1, während die erwärmte Flüssigkeit über einen Abfluß 5.2 an der unteren Seite des Absorbers aufgenommen wird und zu einem Speicher geleitet werden kann.

Wird nun die Absorberoberfläche 1 mit einem Flüssigkeits­ film überspült, so greift dieser Flüssigkeitsfilm die an der Oberfläche des Absorbers gebundene Strahlungsenergie ab. Die auf diese Weise erwärmte Flüssigkeitsmenge incl. der vom Flüssigkeitsfilm 3 selbst absorbierten Strahlungs­ energie wird für den unmittelbaren Verbrauch bzw. zur Deponie in einem Speicher bereitgestellt.

Claims (6)

1. Absorber für Solarkollektoren in Flachbauweise bestehend aus silikatischen Materialien, wobei der flüssige Wärmeträger als gleichmäßiger Film verteilt allein unter dem Einfluß der Schwerkraft des geneigt angeordneten Solarkollektors über die Kontaktoberfläche des Absorbers fließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberoberfläche (1) in Form einer thermisch isolierenden Absorberplatte (4) mit einer silikatischen Pulverschicht (2) versehen ist.

2. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Pulverschicht (2) nur in Partikelstärke entsprechend dem Teilchendurch­ messer des Pulvers ausgeführt ist, wobei die Teilchengröße im Bereich von ca. 100 . . . 1000 µm liegt.

3. Absorber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bei der Produktion des zum Einsatz kommenden silikatischen Pulvermaterials für die Absorberbeschichtung vorgebbare Absorptionsgrad von der Größe der Pulverpartikel ableitbar ist.

4. Absorber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ganzflächige Benetzung der Absorberplatte (4) durch die Pulverschicht (2) im Zusam­ menwirken mit der Ausbildung eines hydrophilen Haftunter­ grundes erfolgt.

5. Absorber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberoberfläche (1) über die gesamte Breite horizontal ausgerichtet fein profiliert ist.

6. Absorber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberplatte (4) mit kammerförmigen Profilen (6) abgedeckt ist, die die Absor­ beroberfläche (1) linienförmig in horizontaler Ausrichtung berühren.