DE4335914C2 - Solarkollektor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Solarkollektor mit einem im Innenraum eines konkaven, wannenförmi­ gen Spiegels angeordneten, parallel zur Achse des Spiegels etwa in der Brennebene verlaufenden, von einem lichtdurchlässigen, luftdichten Hohlkörper umschlossenen Absorber.

Ein Solarkollektor gattungsgemäßer Art ist aus der US-PS 40 59 093 bekannt. Die von der Oberfläche ei­ nes wannenförmigen Spiegels reflektierte Sonnen­ strahlung trifft auf einen rohrförmigen, auf der Brennlinie des Spiegels angeordneten Absorber und erwärmt das sein Inneres durchströmende Medium. Zur thermischen Isolation ist der Absorber von einem transparenten, evakuierten Hohlkörper mit kreisför­ migem Querschnitt umschlossen.

In der nach dem Prioritätsdatum veröffentlichten DE-41 23 096 A1 ist ebenfalls ein Solarkollektor gattungsgemäßer Art offenbart. Er besteht in seinem grundsätzlichen Aufbau aus einem wannenförmigen Spiegel, der das einfallende Licht auf einen auf seiner Brennlinie angeordneten, rohrförmigen Absor­ ber konzentriert. Letzterer ist in einem zylindri­ schen, transparenten Hohlkörper angeordnet. Dabei sind auch konkav geformte, seitliche Flankenberei­ che des Absorbers aus der Druckschrift EP 00 04 805 bekannt.

Da ein nicht unerheblicher Anteil des von den Spie­ geln reflektierten Lichtes - insbesondere die auf die spiegelnahe, untere und die spiegelferne, obere Stirnseite des Absorbers gerichteten Strahlen, die vornehmlich bei diffuser, durch Bewölkung gedämpf­ ter Beleuchtung einen hohen Anteil der Strahlungs­ energie repräsentieren - unter einem derart flachen Winkel auf den Hohlkörper trifft, daß es nach dem Reflexionsgesetz totalreflektiert wird und den Ab­ sorber somit nicht erreicht, ist bei den Solarkol­ lektoren gattungsgemäßer Art als nachteilig anzuse­ hen, daß der Wirkungsgrad, d. h. das Verhältnis zwi­ schen der beispielsweise an eine Raumheizung abge­ gebenen und der eingestrahlten Energie, speziell bei diffuser Beleuchtung nur gering ist.

Ausgehend vom Stande der Technik liegt der Erfin­ dung das Problem zugrunde, einen Solarkollektor, dessen Absorber von einem Hohlkörper umschlossen ist, mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, daß die der seitlichen Berandung des Spiegels zuge­ wandten Flanken des Hohlkörpers konkav gebogen sind.

Der Kerngedanke besteht darin, die konvexen Seiten­ wandungen der bekannten Hohlkörper durch konkave, also nach innen gebogene Flanken zu ersetzen, so daß das vom Spiegel reflektierte Licht nicht nur den mittleren Bereich des Hohlkörpers, sondern auch seine untere, dem Spiegel benachbarte und seine ge­ genüberliegende, obere Stirnseite unter einem na­ hezu senkrechten Winkel erreicht und infolge dessen nicht unter einem erheblichen Wirkungsgradverlust totalreflektiert wird. Der Hohlkörper ist im Ergeb­ nis ein langgestrecktes, rohrartiges Gebilde mit einem beispielsweise von Bikonkavlinsen bekannten Querschnitt. Seine unteren und oberen Flächen sind nicht notwendigerweise plan, sondern können belie­ big geformt sein.

Die Vorteile der Erfindung bestehen vornehmlich darin, daß der Wirkungsgrad aufgrund des Vermeidens von Totalreflexionen an den konkav gebogenen, seit­ lichen Flanken des zur thermischen Isolation des Absorbers dienenden Hohlkörpers entscheidend ver­ bessert ist. Aufgrund der Verwendbarkeit von Ele­ menten bereits bekannter und konventionell verfüg­ barer Solarkollektoren sind die Gestehungskosten gering.

Die Flanken des Hohlkörpers sind zweckmäßigerweise symmetrisch zur seitlich verlaufenden Mittelebene des Hohlkörpers geformt, um zu gewährleisten, daß weder im unteren noch im oberen Bereich des Absor­ bers Totalreflexionen möglich sind.

Zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades bietet sich an, die von dem Hohlkörper bedeckte Fläche des Spiegels, die nur in einem geringen Maß zur Ener­ giegewinnung beiträgt, möglichst gering zu wählen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist daher der Abstand der Flanken in halber Höhe des Hohlkörpers ein Bruchteil der Abmessungen sei­ ner oberen und unteren Flächen; die durch den Hohl­ körper abgedeckte Fläche des Spiegels ist im Ergeb­ nis minimal, da auch die untere und obere Fläche des Hohlkörpers bei durch den Spiegel vorgegebener Krümmung verkleinert sind.

Aus fertigungstechnischen Gründen und zur Vermei­ dung von Totalreflexionen erweisen sich kreisbogen­ förmige oder parabolisch gekrümmte Flanken des Hohlkörpers als zweckmäßig.

Als Material des Hohlkörpers findet vorzugsweise Glas, im speziellen Borsilikatglas Verwendung. Al­ ternativ besteht die Möglichkeit, ihn aus beliebi­ gem, hinreichend temperaturbeständigem Material, wie Polyesterfolie oder -platten herzustellen.

Der Hohlkörper kann weiterhin innen- oder außensei­ tig mit einem Infrarot-Reflektor, wie beispiels­ weise Silber beschichtet werden. Der Vorzug besteht darin, daß von außen auftreffendes, sichtbares Licht transmittiert wird, die vom Absorber emit­ tierte Wärme, also Infrarotstrahlung jedoch durch den Hohlkörper zurückreflektiert wird und - mögli­ cherweise nach mehreren Reflexionen - den Absorber erreicht. Aufgrund der leichteren und somit preis­ werteren Realisation ist bevorzugt, die Außenflä­ chen zu beschichten.

Da beispielsweise Vögel oder Witterungseinflüsse, wie beispielsweise Hagel eine Verunreinigung oder Beschädigung des Solarkollektors bewirken können, ist eine oberhalb des Spiegels befestigte Abdeck­ scheibe empfehlenswert.

Auch die Form des konkaven, wannenförmigen Spiegels ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Gedankens be­ liebig. Im konkreten bietet sich an, ihn parabel- oder kreisbogenförmig zu gestalten.

Alternativ ist vorgeschlagen, den Spiegel im Außen­ bereich kreisbogenförmig zu wählen und auf das Zen­ trum zu kontinuierlich in eine plane Fläche überge­ hen zu lassen. Der Vorzug besteht darin, daß die in der Nähe des Hohlkörpers auf dem Spiegel auftref­ fenden Strahlen in nahezu vertikaler, zum Zentrum des Spiegel orthogonaler Richtung reflektiert wer­ den, die Flanke des Hohlkörpers in der Nähe der oberen Berandung unter nahezu senkrechtem Winkel durchdringen und den Absorber erreichen, ohne daß eine Totalreflexion möglich ist. Der Wirkungsgrad ist somit weiter verbessert.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfin­ dung findet als Absorber ein stahlwolleartiges Ma­ terial Verwendung, das einen hohen Anteil der ein­ treffenden Strahlungsleistung aufgrund seiner großen Oberfläche in Wärme umwandelt und sich durch Preiswürdigkeit auszeichnet.

Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit und Tempera­ turbeständigkeit ist als Material des Absorbers Kupfer empfehlenswert.

Zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades kann der Absorber selektiv beschichtet sein, so daß er zwar das gesamte auftreffende Licht absorbiert, je­ doch nur einen vernachlässigbaren Anteil als Infra­ rot-Strahlungsleistung wieder emittiert. Im spe­ ziellen sind schwarze Beschichtungen aus Chrom, Nickel, Kupfer, Eisenoxyd, Aluminiumoxyd, Silizium­ oxyd, Kobaltsulfid oder Kupferoxyd geeignet.

Alternativ oder zusätzlich zu einem stahlwollearti­ gen Absorber kann ein orthogonal zur benachbarten Oberfläche des Spiegels verlaufendes Blech zum Ein­ satz kommen, das sich ebenfalls durch Preiswürdig­ keit auszeichnet und auf eine hohe Temperatur er­ wärmt, da es näherungsweise in der Brennebene ange­ ordnet ist.

Weiterhin erweist sich als Absorber ein im größeren Abstand von der Spiegeloberfläche, also beispiels­ weise oberhalb der Achse des Hohlkörpers angeordne­ tes Rohr als zweckmäßig. Die seitliche Ausdehnung ermöglicht, (bei einer relativ zu einem sich ortho­ gonal zum Spiegel ausdehnenden Blech entscheidend reduzierten Bauhöhe) die gesamte vom Spiegel re­ flektierte Strahlungsintensität auf den Absorber zu konzentrieren. Selbstverständlich ist möglich, ein weiteres Rohr unterhalb der Achse des Hohlkörpers anzuordnen.

Der Querschnitt des Rohrs ist im Rahmen des erfin­ dungsgemäßen Gedankens beliebig; er kann beispiels­ weise kreis- oder polygonförmig gewählt werden.

Im speziellen ist jedoch ein Rohr mit dem Quer­ schnitt eines näherungsweise gleichseitigen Drei­ ecks bevorzugt, dessen dem Spiegel abgewandte Flä­ che in seitlicher Richtung verläuft. Da die be­ strahlten Oberflächen größtenteils orthogonal zum auftreffenden Licht stehen und die Photonenfluß­ dichte somit gegenüber den bekannten, kreiszylin­ drischen Absorbern vergrößert ist, erwärmt sich der Absorber auf eine - für den Betrieb von Raumheizun­ gen oder Wärmepumpen vorteilhafte - höhere Tempera­ tur.

Zur Wärmeübertragung auf ein Heizungssystem erweist sich ein flüssiges oder gasförmiges, den Hohlkörper durchströmendes Medium als zweckmäßig. Die Wärme­ energie des Absorbers wird durch thermischen Kon­ takt an das Medium weitergegeben und durch letz­ teres auf eine Fußbodenheizung, Heizkörper odgl. übertragen.

Alternativ oder zusätzlich kann auch das Rohr von einem Medium durchströmt werden. Ein Vorzug besteht darin, daß auch nicht transparente oder einen hohen Brechungsindex aufweisende, flüssige Medien, die den Wirkungsgrad durch Absorption oder Totalrefle­ xion verschlechtern würden, verwendbar sind.

Weiterhin ist vorgeschlagen, das Rohr - vorzugs­ weise seine dem Spiegel zugewandten Flächen - mit Auslochungen zu versehen. Im Ergebnis strömt das im thermischen Kontakt mit den relativ kühlen Wandun­ gen des Hohlkörpers stehende Medium, sobald es sich erwärmt, nach dem archimedischen Gesetz nach oben und erreicht den relativ zum Hohlkörper warmen In­ nenraum des Rohr. Auf der Oberseite, also der dem Spiegel abgewandten Flächen des Rohrs eingebrachte Bohrungen erweisen sich als wenig vorteilhaft, da das erwärmte Medium das Rohr wiederum verlassen und sich an der Wandung des Hohlkörpers abkühlen würde.

Aufgrund des hohen realisierbaren Wirkungsgrades wird daher in einer empfehlenswerten Ausführungs­ form das Medium in den dem Spiegel benachbarten Be­ reich des Hohlkörpers eingeführt und dem Rohr an derselben oder der gegenüberliegenden Stirnseite entnommen. Es wird in der Regel in das untere Ende des rohrförmigen Absorbers injiziert und an der ge­ genüberliegenden, bei schräg oder vertikal aufge­ stellten Solarkollektoren oberen Stirnseite entnom­ men.

In einer anderen Ausgestaltung ist der Hohlkörper evakuiert, so daß jegliche Wärmeübertragung und -verluste auf seine Wandungen durch Konvektion un­ terbunden ist.

Weiterhin ist vorgeschlagen, die Bewegung des Medi­ ums durch einen zum Umwälzen dienenden Ventilator oder eine Pumpe zu unterstützen.

Schließlich bieten sich als Medium Luft oder eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser und/oder Ethanol an. Da sich Luftkollektoren aufgrund des einfacheren mechanischen Aufbaus, der schnelleren Erwärmung sowie der Frost- und Überdrucksicherheit gegenüber Flüssigkeitskollektoren auszeichnen, sind sie besonders empfehlenswert.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnungen eine Ausführungsform der Erfindung näher erläutert wird. Sie zeigen in schematischer Darstellung in

Fig. 1 einen Hohlkörper

Fig. 2 einen Absorber

Fig. 3 eine Ansicht eines Solarkollektors

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Solar­ kollektor

Während die oberen und unteren Flächen des in Fig. 1 dargestellten Hohlkörpers (1) plan sind, sind die seitlichen Flanken (2) konkav geformt, so daß in Achsnähe ein schmaler, den oberen und unteren In­ nenraum verbindender Steg entsteht. Im dargestell­ ten Beispiel sind die Wandungen des Hohlkörpers (1) symmetrisch zu seiner Achse.

Der Absorber (3) in Fig. 2 besteht in seinem grundsätzlichen Aufbau aus einem planen Blech (4), an dessen oberer Berandung sich ein Rohr (6) mit dreieckförmigem Querschnitt und leicht nach innen gebogenen Wandungen anschließt. Die unteren, mit dem Blech (4) verbundenen Schenkel des Rohrs (6) sind mit Auslochungen (5) versehen, während die obere, zum Blech orthogonale Wandung eine geschlos­ sene Fläche darstellt. Anhand der Pfeile ist er­ kennbar, daß das zu erwärmende Medium in axialer Richtung am Blech (4) vorbeiströmt und durch den thermischen Kontakt erwärmt wird, so daß es auf­ grund seiner verringerten Dichte aufsteigt, durch die Auslochungen (5) in den Innenraum des Rohres (6) gelangt und sich dort weiterhin in axialer Richtung fortbewegt.

Der in Fig. 3 dargestellte Solarkollektor ist ge­ schützt innerhalb eines kastenförmigen Gehäuses (7) mit einer transparenten Abdeckplatte (10) angeord­ net. Der innerhalb des Hohlkörpers (1) befestigte Absorber (3) ist auf der Brennebene des konkaven, zylindrischen (wannenförmigen) Spiegels (11) fi­ xiert. Das plane Blech (4) des Absorbers (3) ist orthogonal zur benachbarten Oberfläche des Spiegels (11) orientiert, während das Rohr (6) in größerem Abstand vom Spiegel verläuft. Die gekrümmten Flan­ ken (2) des Hohlkörpers (1) sind den seitlichen Be­ randungen des Spiegels (11) zugewandt. Anhand der Pfeile (8) ist erkennbar, daß das Medium in den dem Spiegel (11) benachbarten Innenraum des Hohlkörpers (1) eingeführt und, wie an der gegenüberliegenden Stirnseite anhand des Pfeiles (9) ersichtlich ist, dem Rohr (6) entnommen wird.

In Fig. 4 sind aus unterschiedlichen Richtungen eintreffende Lichtstrahlen (12) eingezeichnet. Auf­ grund des im Außenbereich kreisförmigen, auf das Zentrum zu kontinuierlich in eine plane Fläche übergehenden Querschnitts des Spiegels (11) wird das gesamte eintreffende Licht auf den Absorber (3) reflektiert. Da seine Flanken (2) konkav geformt sind, treffen nahezu alle Lichtstrahlen unter einem etwa orthogonalen Winkel auf die Oberfläche des zur thermischen Isolation des Absorbers (3) dienenden Hohlkörpers (1), so daß nach dem Brechungsgesetz keine zur Abstrahlung des Lichtes in den Außenraum führenden Totalreflexionen zu befürchten sind.

Da das aus den unterschiedlichsten Richtungen stam­ mende Licht zur Erwärmung des Absorbers (3) bei­ trägt, ist der Wirkungsgrad des Solarkollektors auch bei diffuser, durch Bewölkung gedämpfter Be­ leuchtung hoch.

Claims (24)

1. Solarkollektor mit einem im Innenraum eines kon­ kaven, wannenförmigen Spiegels angeordneten, paral­ lel zur Achse des Spiegels etwa in der Brennebene verlaufenden, von einem lichtdurchlässigen, luft­ dichten Hohlkörper umschlossenen Absorber, dadurch gekennzeichnet, daß die der seitlichen Berandung des Spiegels (11) zugewandten Flanken (2) des Hohl­ körpers (1) konkav gebogen sind.

2. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Flanken (2) näherungsweise symme­ trisch zur seitlich verlaufenden Mittelebene des Hohlkörpers (1) sind.

3. Solarkollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Flanken (2) in etwa halber Höhe des Hohlkörpers (1) ein Bruchteil der lateralen Abmessungen der unteren, der benach­ barten Oberfläche des Spiegels (11) zugewandten und der oberen, dem Spiegel (11) abgewandten Fläche des Hohlkörpers (1) ist.

4. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken (2) des Hohlkörpers (1) kreisbogenförmig oder parabolisch sind.

5. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Hohlkörper (1) aus Glas oder Polyesterfolie oder -platten.

6. Solarkollektor nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Hohlkörper (1) aus Borsilikatglas.

7. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (1) in­ nen- und/oder außenseitig mit einem Infrarot-Re­ flektor beschichtet ist.

8. Solarkollektor nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hohlkörper (1) mit Silber be­ dampft ist.

9. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Spiegels (11) eine Abdeckscheibe (10) angebracht ist.

10. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (11) pa­ rabelförmig ist.

11. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (11) kreisbogenförmig ist.

12. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (11) im Außenbereich kreisbogenförmig ist und auf das Zen­ trum zu kontinuierlich in eine plane Fläche über­ geht.

13. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (3) aus einem stahlwolleartigen Material besteht.

14. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch einen Absorber (3) aus Kupfer.

15. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (3) mit Chrom oder Nickel oder Kupfer oder Eisenoxyd oder Aluminiumoxyd oder Siliziumoxyd oder Kobalt­ sulfid oder Kupferoxyd beschichtet ist.

16. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (3) ein orthogonal zur benachbarten Oberfläche des Spiegels (11) verlaufendes Blech (4) aufweist.

17. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (3) ein vorzugsweise oberhalb der Achse des Hohlkörpers (1) angeordnetes Rohr (6) aufweist.

18. Solarkollektor nach Anspruch 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Querschnitt des Rohrs (6) ein näherungsweise gleichseitiges Dreieck ist, wobei vorzugsweise die dem Spiegel (11) abgewandte Fläche des Dreiecks in seitlicher Richtung verläuft.

19. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (6) von einem Medium durchströmt wird.

20. Solarkollektor nach Anspruch 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Hohlkörper (1) evakuiert ist.

21. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (1) von einem Medium durchströmt wird.

22. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (6) mit Auslochungen (5) versehen ist.

23. Solarkollektor nach Anspruch 22, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auslochungen (5) in den dem Spiegel (11) zugewandten Flächen des Rohrs (6) an­ geordnet sind.

24. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium in den dem Spiegel (11) benachbarten Bereich des Hohlkör­ pers (1) eingeleitet und dem Rohr (6) entnommen wird.