EP2753885A2 - Solarthermischer kollektor - Google Patents

Solarthermischer kollektor

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Publication number
EP2753885A2
EP2753885A2 EP12775150.1A EP12775150A EP2753885A2 EP 2753885 A2 EP2753885 A2 EP 2753885A2 EP 12775150 A EP12775150 A EP 12775150A EP 2753885 A2 EP2753885 A2 EP 2753885A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
collector
solar thermal
thermal collector
sorbent
absorber
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12775150.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Martin Henning
Patrick Dupeyrat
Tomas Nunez
Stefan Henninger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2753885A2 publication Critical patent/EP2753885A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/40—Solar heat collectors using working fluids in absorbing elements surrounded by transparent enclosures, e.g. evacuated solar collectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/40—Solar heat collectors using working fluids in absorbing elements surrounded by transparent enclosures, e.g. evacuated solar collectors
    • F24S10/45—Solar heat collectors using working fluids in absorbing elements surrounded by transparent enclosures, e.g. evacuated solar collectors the enclosure being cylindrical
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
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    • F24S70/00—Details of absorbing elements
    • F24S70/60—Details of absorbing elements characterised by the structure or construction
    • F24S70/65—Combinations of two or more absorbing elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24S80/50—Elements for transmitting incoming solar rays and preventing outgoing heat radiation; Transparent coverings
    • F24S80/54—Elements for transmitting incoming solar rays and preventing outgoing heat radiation; Transparent coverings using evacuated elements
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
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    • F24S80/50—Elements for transmitting incoming solar rays and preventing outgoing heat radiation; Transparent coverings
    • F24S2080/501—Special shape
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02B10/20—Solar thermal
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Definitions

  • the present invention relates to a solar thermal collector having a collector housing which is at least partially or completely transparent to radiation in the infrared and / or visible region of the electromagnetic spectrum, and an absorber arranged in the collector housing for converting sunlight into thermal energy and a heat transfer device for the removal of the usable heat.
  • Solar thermal collectors reach an operating temperature that depends primarily on the impinging solar radiation and the dissipated heat. Typical operating temperatures for indoor applications are 50 to 100 ° C. At these operating temperatures, the collectors should have high efficiencies, ie have the lowest possible heat losses. At high irradiation (eg 800 W / m 2 and ber) and little or no heat dissipation sets an operating point with a very high operating temperature. This temperature can reach today's marketable collectors in Stagnationsf ll - ie in the absence of any heat dissipation - 200 ° C or even significantly higher.
  • a lack of heat dissipation can be done on the one hand, if no heat sink is available, for example because the heat storage is completely loaded, or in case of damage, for example in case of failure of the pump in the solar circuit.
  • Solar thermal collectors and systems must be designed so that they survive this stagnation case without damage. However, this considerably limits the choice of production materials and construction and embodiments. For example, there are narrow limits for the use of low-cost polymer materials, as they survive such high temperatures permanently.
  • a solar thermal collector is provided with a collector housing which is at least partially or completely transparent at least partially for radiation in the infrared and / or visible region of the electromagnetic spectrum, and an absorber arranged in the collector housing for converting sunlight into thermal energy and at least a heat transfer device for the removal of the usable heat.
  • the solarthermisehe collector according to the invention is characterized in that within the collector housing at least one working fluid and at least one sorbent for the working fluid are contained, wherein the sorbent and the working fluid are coordinated so that an increase in the temperature of the solar thermal collector to a desorption of the working fluid from the sorbent and a lowering of the temperature of the solar thermal collector to a sorption of the working fluid by the
  • a first variant of the solar thermal collector according to the invention provides that this is a flat collector, which, starting from the collector upper side exposed to the incident radiation towards the collector rear side, has the following structure: a) the coverage that is at least partially or completely transparent to radiation in the infrared and / or visible region of the electromagnetic spectrum;
  • a vacuum insulation panel in particular a vacuum insulation panel, as well as f) a back cover, which limits the solar thermal collector on the opposite side of the transparent cover, wherein the sorbent is integrated in the thermal insulation panel on the absorber side facing the thermal insulation panel as a layer or selectively deposited or wherein the sorbent is integrated in a separate compartment associated with the thermal insulation panel.
  • the solar thermal collector in the space between the at least partially or completely transparent cover for radiation in the infrared and / or visible region of the electromagnetic spectrum and the absorber on a transparent thermal insulation.
  • a further variant according to the invention provides that the solar thermal collector is an evacuated flat collector with a cover which is at least partially or completely transparent for radiation in the infrared and / or visible region of the electromagnetic spectrum, the sorbent being present at any desired temperature. ger position in the collector housing is integrated. An advantageous arrangement of the sorbent takes place on the side facing away from the gas space side of the absorber and in close thermal contact with the absorber.
  • the solar thermal collector is an evacuated tube collector, the tube consisting of a material which is at least partially or completely transparent to radiation in the infrared and / or visible range of the electromagnetic spectrum, and in particular glass and / or a polymer material the absorber is disposed inside the tube, the sorbent being disposed at any position in the tube, and when the temperature of the collector is raised, the sorbent releases the working fluid into the interior of the tube.
  • An advantageous attachment of the sorbent takes place on the side facing away from the gas chamber side of the absorber and in close thermal contact with the absorber.
  • the sorbent is an adsorption and / or absorption material.
  • This is preferably selected from the group consisting of zeolites, zeolite-type materials, aluminophosphates, silica aluminophosphates, metal aluminophosphates (MeAPOs), zeolitic imidazolate frameworks (ziFs), organometallic framework and network compounds, porous coordination polymers
  • the zeolites are preferably selected from the group consisting of zeolite A, zeolite 4A, zeolite 5A, zeolites X (faujasites), in particular zeolite 13X, zeolites Y, zeolites of the abovementioned groups with balancing cations selected from the group consisting of H, Li, Na , Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra and / or the rare earth cations, in particular La, and the lanthanides and actinium and the group of actinides.
  • zeolites are preferably selected from the group consisting of zeolite A, zeolite 4A, zeolite 5A, zeolites X (faujasites), in particular zeolite 13X, zeolites Y, zeolites of the abovementioned groups with balancing cations selected from the group consisting of H, Li, Na , Rb, Cs
  • the aluminophosphates are preferably selected from the group consisting of AIPO-4, AlPO-1, AlPO-18, AlPO-5, AlPO-11 or mixtures thereof.
  • the metal aluminophosphates are preferably selected from the group consisting of FAPO-5 (iron-AlPO-5), MeAPO-11 or mixtures thereof.
  • the silica aluminophosphates are preferably selected from the group consisting of SAPO-34, SAPO-44, SAPO-18, SAPO-5, SAPO 11, or mixtures thereof.
  • the zeolitic imidazolate framework (zeolitic imidazolate frameworks (ZiF)) is preferably ZiF-8.
  • the organometallic framework and network compounds or porous coordination polymers are preferably selected from the group consisting of ZMOFs (zeolite-like MOFs), in particular HKUST-1 and / or the group of Materiaux de l 1 Institut Lavoisier (MILs), in particular MIL-53, MIL-100, MIL-110 and / or MIL-101 and the group of materials DUT (Dresden University of Technology) in particular DUT-6 and the group of materials UiO (University of Oslo ), in particular UiO-66 and ISE-1 or mixtures thereof.
  • the working fluid is selected from the group consisting of water, ozone, nitrous oxide, carbon dioxide, carbon monoxide, noble gases and gaseous at temperatures above 80 ° C under normal conditions
  • the solar thermal collector has at least one solar cell on the surface of the absorber.
  • the solar cells can be deposited, coated or glued.
  • the e solar thermal collectors according to the invention are used in particular as facade collectors or roof collectors. They can be used to generate hot water and / or warm air. Further possible fields of application are the
  • the collectors for operating thermally driven chillers, preferably sorption-supported chillers can be used.
  • Fig. 1 is a cross section of a solar thermal collector according to the invention is shown with Vakuumisolationspaneel.
  • Fig. A further variant of the invention solar thermal collector is shown as a flat collector with vacuum insulation panel in cross section.
  • Fig. 3 shows a cross section of a variant of a solar thermal collector according to the invention as an evacuated flat collector.
  • FIG. 4 shows a further variant of a solar thermal collector as an evacuated flat collector in cross section
  • Fig. 5 shows a variant of a solar thermal collector according to the invention as an evacuated tube collector based on a sectional view.
  • FIG. 6 shows a further variant of a solar thermal collector according to the invention as an evacuated tube collector on the basis of a sectional representation.
  • Fig. 7 shows a variant of a solar thermal collector according to the invention as
  • FIG. 8 shows a further variant of a solar thermal collector according to the invention as a flat collector with a vacuum insulation panel in cross-section, which contains a transparent thermal insulation.
  • 9 shows, by way of a diagram, the characteristic curves of a solar thermal collector according to the invention in comparison to a solar thermal collector known from the prior art.
  • FIG. 1 shows a solar thermal flat collector 1 according to the invention, which has an absorber 2 in which heat exchanger tubes 7 are integrated. Furthermore, the flat collector on a transparent cover 3, which by a gas space 4 from the absorber. 2
  • the flat collector further has a vacuum insulation panel 8, in which on the absorber 2 side facing a sorbent 5 is arranged.
  • the flat collector further has a rear cover 9.
  • FIG. 2 corresponds substantially to the embodiment of FIG. 1, but here the sorbent 5 is arranged point by point on the side facing the absorber 2 in the vacuum insulation panel 8.
  • FIG. 3 shows a variant according to the invention of an evacuated solar thermal collector 1.
  • the evacuated flat collector 1 has an absorber 2 with integrated heat exchanger tubes 7. At the same time, the collector has a transparent cover 3, which is spaced from the absorber 2 by a gas space 4.
  • the sorbent 5 is arranged on the side of the absorber 2 facing away from the gas space 4.
  • the flat collector 1 also has a back cover 9.
  • FIG. 4 corresponds in the sentlichen the embodiment of FIG. 3, but here the sorbent 5 is selectively arranged on the back of the absorber 2.
  • Fig. 5 a further variant of the invention in the form of an evacuated tube collector 11 is shown as ThomasZeichnung.
  • the collector 1 has a tube wall 16, which includes an absorber 2 and heat exchanger tubes 17.
  • the sorbent 5 is according to this embodiment on the back of the
  • FIG. 6 shows a further embodiment of an evacuated tube collector 11 according to the invention.
  • the tube collector 11 has an outer tube wall 16 and an inner tube wall 13. In the area between the inner tube wall 13 and the outer tube wall 16 there is a vacuum. The enclosed by the inner tube wall space, however, is not evacuated.
  • a cylindrical absorber 12 is arranged, are connected to the heat exchanger tubes 17.
  • the sorbent 15 is arranged in the present case in the evacuated region between the inner tube wall 13 and the outer tube wall 16.
  • FIG. 7 shows a further variant according to the invention of a flat collector 1, which represents a development with respect to the flat collector shown in FIG.
  • the flat collector 1 according to FIG. 7 has solar cells 10, which are arranged on the side of the absorber 2 facing the gas space 4.
  • Fig. 8 is another variant of the invention a flat plate 1 with vacuum insulation onspaneel 8 shown, which also represents a development compared to the flat collector of FIG. 1.
  • the flat collector 1 has a transparent heat insulation 11 between the absorber 2 and the transparent cover 3.
  • Fig. 9 the characteristics of a solar thermal collector according to the invention and a solar thermal see collector according to the prior art, which has no switchable thermal insulation shown.
  • the illustration shows the course of the efficiency of a solar thermal collector as a function of the operating temperature.
  • the point of intersection with the ABS zisse shows the maximum operating temperature (Stagna ⁇ tion temperature) that can reach a solar thermal collector, if no useful heat is dissipated and the total generated heat at the absorber in the form of thermal loss is dissipated to the environment.
  • the illustration shows that a conventional solar thermal collector can reach a high stagnation temperature over 200 ° C.
  • a collector according to the invention achieves a significantly lower stagnation temperature, without having a lower efficiency than a conventional solar thermal collector in the range of low operating temperatures.
  • This lowering of the stagnation temperature is achieved by the incorporation according to the invention of a sorbent and a working medium, which lead to a desorption of the working medium at a sufficiently high temperature and thus to an increase in pressure and a corresponding increase in the thermal losses.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen solarthermischen Kollektor mit einem Kollektorgehäuse, das zumindest bereichsweise für Strahlung im infraroten und/oder sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums zumindest teilweise oder vollständig transparent ist, und einem im Kollektorgehäuse angeordneten Absorber zur Umwandlung von Sonnenlicht in thermische Energie sowie einer Wärmeübertragungsvorrichtung für den Abtransport der nutzbaren Wärme.

Description

Solarthermischer Kollektor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen solarthermischen Kollektor mit einem Kollektorgehäuse, das zumindest bereichsweise für Strahlung im infraroten und/oder sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums zumindest teilweise oder vollständig transparent ist, und einem im Kollektorgehäuse angeordneten Absorber zur Umwandlung von Sonnenlicht in thermische Energie sowie einer Wärmeübertragungsvorrichtung für den Abtransport der nutzbaren Wärme.
Solarthermische Kollektoren erreichen eine Betriebstemperatur, die in erster Linie von der auftreffenden Solarstrahlung und der abgeführten Wärme abhängt. Übliche Betriebstemperaturen für Anwendungen in Gebäuden liegen bei 50 bis 100 °C. Bei diesen Betriebstemperaturen sollen die Kollektoren hohe Wirkungsgrade aufweisen, also möglichst geringe Wärmeverluste haben. Bei hoher Einstrahlung (z.B. 800 W/m2 und darü- ber) und geringer oder ausbleibender Wärmeabfuhr stellt sich ein Arbeitspunkt mit sehr hoher Betriebstemperatur ein. Diese Temperatur kann für heute marktgängige Kollektoren im Stagnationsf ll — also bei Ausbleiben jeglicher Wärmeabfuhr — 200 °C erreichen oder auch noch deutlich darüber liegen. Ein Ausbleiben der Wärmeabfuhr kann einerseits erfolgen, wenn keine Wärmesenke zur Verfügung steht, beispielsweise weil der Wärmespeicher vollständig beladen ist, oder im Schadensfall, z.B. bei Ausfall der Pumpe im Solarkreis. Solarthermische Kollektoren und Anlagen müssen so ausgelegt sein, dass sie diesen Stagnationsfall schadlos überstehen. Dadurch ist jedoch die Auswahl von Herstellungsmaterialien und Konstrukti- ons- und Ausführungsformen deutlich beschränkt. Beispielsweise bestehen enge Grenzen für den Einsatz von kostengünstigen Polymermaterialien, da diese keine derart hohen Temperaturen dauerhaft überleben. Auch innovative Aus führungs formen, wie z.B. thermisch- photovoltaische Kollektoren, die zugleich Strom und Wärme bereitstellen, bedürfen einer Temperaturbegrenzung, da die Auflamination der Solarzellen auf den thermischen Absorber nicht hochtemperaturstabil her¬ stellbar ist.
Zielführend sind insofern Verfahren, die es ermöglichen, den Wärmeverlust des Kollektors temperaturabhängig zu schalten. Dies kann grundsätzlich über die Kollektoroberseite oder durch die Kollektorrückseite erfolgen.
In der Vergangenheit wurden bereits vielfältige Wege untersucht, um die Temperatur von solarthermischen Kollektoren bei hoher Einstrahlung und unzureichender oder nicht vorhandener Wärmeabfuhr zu begrenzen. Dazu wurden bislang folgende Wege beschritten: Schaltung der Transmission:
Es wurden Systeme untersucht und versucht zu entwickeln, bei denen die Transmission der äußeren, oberen Abdeckung eines solarthermischen Kollektors oberhalb einer Schalttemperatur abnimmt und damit der Energieeintrag, der den Absorber erreicht, begrenzt wird {DE 20 2005 007 474 Ul) . Eine Ausführungsfornn einer solchen Lösung waren sog. thermotrope Schichten. Es wurde allerdings keine technische Machbarkeit erreicht .
Schaltung der Emission der Oberflächenschicht des Absorbers im infraroten Bereich des Strahlungsspektrums :
Es wurde versucht, Schichten zu entwickeln, die eine gezielte Erhöhung der Strahlungsemission im Bereich der Wärmestrahlung ermöglichen (DE 10 2008 038 795 AI) . Bislang war aber auch dieser Ansatz technisch nicht umsetzbar.
Schaltung der Wärmeleitung im Gasraum zwischen Absorber und Glasabdeckung:
Eine Möglichkeit, den Wärmetransport zwischen Absorber und Glasabdeckung gezielt zu beeinflussen, besteht in der Einstellung des Gasdrucks in diesem Zwischenraum (z.B. wie vorgestellt auf der Website der Firma U IKOLL - www.unikoll.eu/beschreibung_unikoll.html) . Dies bedingt eine Schaltung der Wärmeleitung. Allerdings muss ein erheblicher Unterdruck erreicht werden, um einen sichtbaren Schalthub zu errei- chen. Entsprechend sind wesentliche Maßnahmen zu treffen, um den Druck auf die Glasabdeckung im evakuierten Zustand abzufangen. Dies ist grundsätzlich möglich, es gibt Vakuum- Flachkollektoren, die entsprechende Stützen aufweisen, um den Druck auf die Glasabdeckung abzufangen. Allerdings sind bislang keine technischen Umsetzungen bekannt, in denen ein solcher Lösungsansatz in Kombination mit einer gezielten Änderung des Gasdrucks im Kollektorinnenraum zur Schaltung des Wärmeverlusts erfolgreich war.
4) Regelbare Belüftung des Zwischenraums zwischen Absorber und Glasabdeckung:
Durch eine gezielte schließbare Öffnung des Zwischenraums zwischen Absorber und Glasabdeckung kann der Wärmeverlust auf der Oberseite vergrößert werden (WO 2004/070289 AI) . Nachteil ist die Erfordernis eines mechanischen Bauteils und die Gefahr der Verschmutzung des Innenraums. Bislang ist keine Umsetzung bekannt, die auf einem solchen Lösungsansatz basiert.
Bislang ist kein Lösungsweg bekannt, der das Ziel einer Absenkung der Stagnationstemperatur durch gezielte Einstellung der thermischen Kollektorverluste erreicht und eine technische Machbarkeit bewiesen hat. Insofern werden heute ausschließlich Materialien und Konstruktionen verwendet, die den erreichten Stagnationstemperaturen ausreichend standhalten.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen solarthermischen Kollektor bereitzustellen, mit dem der Wärmeverlust des Kollektors temperaturabhängig geschaltet werden kann. Diese Aufgabe wird durch den solarthermischen Kollek tor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die weiteren abhängigen Patentansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. In den Ansprüchen 13 bis 15 werden erfindungsgemäße Verwendungen angegeben .
Erfindungsgemäß wird ein solarthermischer Kollektor mit einem Kollektorgehäuse bereitgestellt, das zumin dest bereichsweise für Strahlung im infraroten und/oder sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums zumindest teilweise oder vollständig trans- parent ist, und einem im Kollektorgehäuse angeordneten Absorber zur Umwandlung von Sonnenlicht in thermische Energie sowie mindestens einer Wärmeübertragungsvorrichtung für den Abtransport der nutzbaren Wärme .
Der erfindungsgemäße solarthermisehe Kollektor ist dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Kollektor gehäuses mindestens ein Arbeitsmittel und mindestens ein Sorbens für das Arbeitsmittel enthalten sind, wobei das Sorbens und das Arbeitsmittel so aufeinander abgestimmt sind, dass eine Erhöhung der Temperatur des solarthermischen Kollektors zu einer Desorption des Arbeitsmittels aus dem Sorbens und eine Erniedrigung der Temperatur des solarthermischen Kollektors zu einer Sorption des Arbeitsmittels durch das
Sorbens führt .
Eine erste erfindungsgemäße Variante des solarthermischen Kollektors sieht vor, dass dieser ein Flachkollektor ist, der, ausgehend von der der einfallenden Strahlung ausgesetzten Kollektoroberseite hin zur Kollektorrückseite, folgenden Aufbau aufweist: a) die für Strahlung im infraroten und/oder sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums zumindest teilweise oder vollständig transparente Abdeckung,
b) Gasraum,
c) Absorber,
d) einer Wärmeübertragungsvorrichtung, die einen Abtransport der nutzbaren Wärme ermöglicht, sowie
e) mindestens ein thermisches Isolationspaneel,
insbesondere ein Vakuum-Isolations-Paneel, sowie f) eine rückseitige Abdeckung, die den solarthermischen Kollektor auf der der transparenten Abdeckung gegenüberliegenden Seite begrenzt, wobei das Sorbens im thermischen Isolationspaneel auf der dem Absorber zugewandten Seite des thermischen Isolationspaneels als Schicht oder punktuell abgeschieden integriert ist oder wobei das Sorbens in einem separatem ompartiment , das mit dem thermischen Isolationspaneel in Verbindung steht, integriert ist.
In einer weiteren bevorzugten Variante weist der solarthermische Kollektor im Zwischenraum zwischen der für Strahlung im infraroten und/oder sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums zumindest teilweise oder vollständig transparenten Abdeckung und dem Absorber eine transparente Wärmedämmung auf .
Eine weitere erfindungsgemäße Variante sieht vor, dass der solarthermische Kollektor ein evakuierter Flachkollektor mit einer für Strahlung im infraroten und/oder sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums zumindest teilweise oder vollständig transparenten Abdeckung ist, wobei das Sorbens an beliebi- ger Position im Kollektorgehäuse integriert ist. Eine vorteilhafte Anordnung des Sorbens erfolgt auf der vom Gasraum abgewandten Seite des Absorbers und in einem engen thermischen Kontakt mit dem Absorber.
Eine dritte erfindungsgemäße Variante sieht vor, dass der solarthermische Kollektor ein evakuierter Röhrenkollektor ist, wobei die Röhre aus einem für Strahlung im infraroten und/oder sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums zumindest teilweise oder vollständig transparenten Material, insbesondere Glas und/oder einem Polymerwerkstoff, besteht und im Inneren der Röhre der Absorber angeordnet ist, wobei das Sorbens an beliebiger Position in der Röhre angeordnet ist und bei einer Erhöhung der Temperatur des Kollektors das Sorbens das Arbeitsmittel in das innere der Röhre freisetzt. Eine vorteilhafte Anbringung des Sorbens erfolgt auf der vom Gasraum abgewandten Seite des Absorbers und in einem engen thermischen Kontakt mit dem Absorber.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Sorbens um ein Adsorptions- und/oder Absorptionsmaterial. Dieses ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zeolithen, zeolithartigen Materialien, Aluminophos- phaten, Silica-Aluminophosphaten, Metall-AIuminophos- phaten (MeAPOs) , zeolithischen Imidazolat-Gerüsten (Zeolitic Imidazolate Frameworks (ziFs)), metallorganischen Gerüst- und Netzwerkverbindungen, porösen Koordinationspolymeren (porous coordination polymers
(PCP) ) , mesoporösen Alumino- und Siliziumverbindungen, Aktivkohlen, Kohlenstoffmolekularsieben, Kohlenstoffnanotubes , Silikagelen, Hexacyano- metallaten und/oder Kombinationen hieraus. Die Zeolithe sind dabei vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zeolith A, Zeolith 4A, Zeolith 5A, Zeolithen X (Faujasite) , insbesondere Zeolith 13X, Zeolithen Y, Zeolithen der vorgenannten Gruppen mit Ausgleichskationen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, Li, Na, , Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra und/oder den Kationen der Seltenen Erden, insbesondere La, und die Lanthanoiden sowie Actinium und die Gruppe der Actinoide.
Die Aluminophosphate sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus AIPO-4, AlPO-1 , AlPO-18, AlPO-5, AlPO-11 oder Mischungen hiervon.
Die Metall-Aluminophosphate (MeAPOs) sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus FAPO-5 {Eisen-AlPO-5 ) , MeAPO-11 oder Mischungen hiervon.
Die Silica-Aluminophosphate sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus SAPO-34, SAPO-44, SAPO-18, SAPO-5, SAPO 11 oder Mischungen hiervon.
Das zeolithische Imidazolat-Gerüst (Zeolitic Imid- azolate Frameworks (ZiF)) ist vorzugsweise ZiF-8.
Die metallorganischen Gerüst- und Netzwerkverbindungen bzw. die porösen Koordinationspolymere (porous coordination polymers (PCP) ) sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus ZMOFs (zeolite like MOFs) , insbesondere HKUST-1 und/oder der Gruppe der Materiaux de l1 Institut Lavoisier (MILs), insbesondere MIL-53, MIL-100, MIL-110 und/oder MIL-101 sowie die Gruppe der Materialien DUT (Dresden Universi- ty of Technology) insbesondere DUT-6 und die Gruppe der Materialien UiO (University of Oslo) , insbesondere UiO-66 sowie ISE-1 oder Mischungen hiervon. Vorzugsweise ist das Arbeitsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasser, Ozon, Lachgas, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Edelgasen sowie bei Temperaturen von oberhalb 80 °C bei Normalbedingungen gasförmigen
Kohlenwasserstoffen oder Alkoholen, insbesondere Methan, Ethan, Methanol oder Ethanol sowie Kombinationen oder Mischungen hieraus. In einer weiteren bevorzugten Variante weist der solarthermische Kollektor mindestens eine Solarzelle auf der Oberfläche des Absorbers auf. Die Solarzellen können dabei abgeschieden, beschichtet oder geklebt sein.
Verwendung finden die e findungsgemäßen solarthermischen Kollektoren insbesondere als Fassadenkollektoren oder Dachkollektoren. Sie können dabei zur Erzeugung von Warmwasser und/oder Warmluft eingesetzt werden. Weitere mögliche Anwendungsgebiete sind die
Gebäudeheizung, Gebäudetrocknung, Bereitstellung von Prozesswärme, z.B. für Bäckereien, Galvanikbetriebe, Wäschereien oder Lackierereien sowie die Trocknung von Lebensmi eln, chemischen Produkten, Holz oder Pellets. Ebenso können die Kollektoren zum Betreiben von thermisch angetriebenen Kältemaschinen, bevorzugt sorptionsgestützte Kältemaschinen eingesetzt werden.
Anhand der nachfolgenden Figuren und Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einzusehränken .
In Fig. 1 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kollektors mit Vakuumisolationspaneel dargestellt. In Fig. ist eine weitere erfindungsgemäße Variante des solarthermischen Kollektors als Flachkollektor mit Vakuumisolationspaneel im Querschnitt dargestellt.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Variante eines solarthermischen Kollektors als evakuierter Flachkollektor .
Fig. 4 zeigt eine weitere Variante eines solarthermischen Kollektors als evakuierter Flachkollektor im Querschnitt,
Fig. 5 zeigt eine Variante eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kollektors als evakuiertem Röhrenkollektor anhand einer Schnittdarstellung.
Fig. 6 zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kollektors als evakuierter Röhrenkollektor anhand einer Schnittdarstellung.
Fig. 7 zeigt eine Variante eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kollektors als
Flachkollektor mit Vakuumisolationspaneel im Querschnitt, der auf der Oberseite des Absorbers photovoltaische Zellen enthält.
Fig. 8 zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kollektors als Flachkollektors mit Vakuumisolationspaneel im Querschnitt, der eine transparente Wärmedämmung enthält. Fig. 9 zeigt anhand eines Diagramms die Kennlinien eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kollektors im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik bekannten solarthermischen Kollektor.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen solarthermischen Flachkollektor 1, der einen Absorber 2 aufweist, in den Wärmetauscherrohre 7 integriert sind. Weiterhin weist der Flachkollektor eine transparente Abdeckung 3 auf, die durch einen Gasräum 4 vom Absorber 2
beabstandet ist. Der Flachkollektor weist weiterhin ein Vakuumisolationspaneel 8 auf, in dem auf der dem Absorber 2 zugewandten Seite flächig ein Sorbens 5 angeordnet ist. Der Flachkollektor weist weiterhin eine rückseitige Abdeckung 9 auf.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 entspricht im Wesentlichen der Ausführungs form von Fig. 1, wobei hier jedoch das Sorbens 5 punktuell auf der dem Absorber 2 zugewandten Seite im Vakuumisolationspaneel 8 angeordnet ist.
In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Variante eines evakuierten solarthermischen Kollektors 1 dargestellt. Der evakuierte Flachkollektor 1 weist einen Absorber 2 mit integrierten Wärmetauscherröhren 7 auf . Gleichzeitig besitzt der Kollektor eine transparente Abdeckung 3, die durch einen Gasraum 4 vom Absorber 2 beabstandet ist. In diesem erfindungsgemäßen evakuierten Flachkollektor ist das Sorbens 5 auf der dem Gasraum 4 abgewandten Seite des Absorbers 2 angeordnet. Der Flachkollektor 1 weist ebenso eine rückseitige Abdeckung 9 auf.
Die Aus führungsform gemäß Fig. 4 entspricht im We- sentlichen der Ausführungsform gemäß Fig. 3 , wobei hier jedoch das Sorbens 5 punktuell auf der Rückseite des Absorbers 2 angeordnet ist. In Fig. 5 ist eine weitere erfindungsgemäße Variante in Form eines evakuierten Röhrenkollektors 11 als SchnittZeichnung dargestellt. Der Kollektor 1 weist eine Röhrenwand 16 auf, die einen Absorber 2 sowie Wärmetauscherrohre 17 einschließt. Das Sorbens 5 ist gemäß dieser Ausführungsform auf der Rückseite des
Absorbers 2 zwischen den Wärmetauseherröhren 7 angeordnet .
In Fig. 6 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausfüh- rungsform eines evakuierten Röhrenkollektors 11 dargestellt. Der Röhrenkollektor 11 weist dabei eine äußere Röhrenwand 16 sowie eine innere Röhrenwand 13 auf. Im Bereich zwischen der inneren Röhrenwand 13 und der äußeren Röhrenwand 16 herrscht ein Vakuum. Der durch die innere Röhrenwand eingeschlossene Raum ist hingegen nicht evakuiert. In diesem ist ein zylindrischer Absorber 12 angeordnet, mit dem Wärmetauscherrohre 17 verbunden sind. Das Sorbens 15 ist im vorliegenden Fall im evakuierten Bereich zwischen der inneren Röhrenwand 13 und der äußeren Röhrenwand 16 angeordnet .
In Fig. 7 ist eine weitere erfindungsgemäße Variante eines Flachkollektors 1 dargestellt, der eine Weiter- bildung gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten Flachkollektor darstellt. Zusätzlich zu diesem weist der Flachkollektor 1 gemäß Fig. 7 Solarzellen 10 auf, die auf der dem Gasraum 4 zugewandten Seite des Absorbers 2 angeordnet sind.
In Fig. 8 ist eine weitere erfindungsgemäße Variante eines Flachkollektors 1 mit Vakuumisolat onspaneel 8 dargestellt, das ebenfalls eine Weiterbildung gegenüber dem Flachkollektor gemäß Fig. 1 darstellt. Hierbei weist der Flachkollektor 1 eine transparente Wär- medämmung 11 zwischen dem Absorber 2 und der transparenten Abdeckung 3 auf.
In Fig. 9 sind die Kennlinien eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kollektors und eines solarthermi- sehen Kollektors gemäß dem Stand der Technik, der keine schaltbare Wärmedämmung aufweist, dargestellt. Die Darstellung zeigt den Verlauf des Wirkungsgrad eines solarthermischen Kollektors in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur. Der Schnittpunkt mit der Abs- zisse zeigt die maximale Betriebstemperatur (Stagna¬ tionstemperatur) , die ein solarthermischer Kollektor erreichen kann, wenn keinerlei Nutzwärme abgeführt wird und die gesamte am Absorber erzeugte Wärme in Form thermischer Verluste an die Umgebung abgeführt wird. Die Darstellung zeigt, dass ein üblicher solarthermischer Kollektor eine hohe Stagnationstemperatur über 200°C erreichen kann. Ein erfindungsgemäßer Kollektor erreicht demgegenüber eine deutlich niedrigere Stagnationstemperatur , ohne im Bereich niedriger Be- triebstemperaturen einen niedrigeren Wirkungsgrad als ein üblicher solarthermischer Kollektor aufzuweisen. Diese Absenkungen der Stagnationstemperatur wird durch die erfindungsgemäße Einbringung eines Sorbens und eines Arbeitsmittels erreicht, die bei ausrei- chend hoher Temperatur zu einer Desorption des Arbeitsmittels führen und damit zu einem Druckanstieg und einem korrespondierenden Anstieg der thermischen Verluste .

Claims

Patentansprüche
Solarthermischer Kollektor (1) mit einem Kollektorgehäuse, das zumindest bereichsweise für Strahlung im infraroten und/oder sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums zumindest teilweise oder vollständig transparent ist, und einem im Inneren des Kollektorgehäuses angeordneten Absorber (2) zur Umwandlung von Sonnenlicht in thermische Energie sowie mindestens ei¬ ner Wärmeübertragungsvorrichtung (7) für den Abtransport der nutzbaren Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Kollektorgehäuses mindestens ein Arbeitsmittel und mindestens ein Sorbens (5) für das Arbeitsmittel enthalten ist, wobei das Sorbens (5) und das Arbeitsmittel so aufeinander abgestimmt sind, dass eine Erhöhung der Temperatur des sola thermischen Kollektors zu einer Desorption des Arbeitsmi tels aus dem Sorbens (5) und eine Erniedrigung der Temperatur des solarthermischen Kollektors zu einer Sorption des Arbeitsmittels durch das Sorbens (5) führt .
Solarthermischer Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der solarthermische Kollektor (1) ein Flachkollektor ist, der, ausgehend von der der einfallenden Strahlung ausgesetzten Kollektoroberseite hin zur Kollektorrückseite, folgenden Aufbau aufweist: a) die für Strahlung im infraroten und/oder sichtbaren Bereich des elektromagnetischen
Spektrums zumindest teilweise oder vollständig transparente Abdeckung (3), b) Gasraum (4) , c) Absorber (2) , d) die Wärmeübertragungsvorrichtung (7) sowie e) mindestens ein thermisches Isolationspaneel (8), insbesondere ein Vakuum-Isolations-Paneel , sowie f) eine rücksei ige Abdeckung (9) , die den solarthermischen Kollektor (1) auf der der transparenten Abdeckung (3) gegenüberliegenden Seite begrenz , wobei das Sorbens (5) im thermischen Isolationspaneel auf der dem Absorber (2) zugewandten Seite des thermischen Isolationspaneels (8) als Schicht oder punktuell abgeschieden integriert ist oder wobei das Sorbens in einem separatem Kompartiment, das mit dem thermischen Isolationspaneel in Verbindung steht, integriert ist.
Solartherm scher Kollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der solarthermische Kollektor (1) im Zwischenraum zwischen der für Strahlung im infraroten und/oder sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums zumindest teilweise oder vollständig transparenten Abdeckung (3) und dem Absorber (2) eine transparente Wärmedämmung (11) enthält. Solarthermischer Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der solarthermische Kollektor (1) ein evakuierter Flachkollektor mit einer für Strahlung im infraroten und/oder sichtbaren Bereich des elektromagnetischen
Spektrums zumindest teilweise oder vollständig transparenten Abdeckung (3) ist, wobei das Sorbens (5) an beliebiger Position im Kollektorgehäuse integriert ist.
Solarthermischer Kollektor nach Ansprüchen 1 und 3 oder nach Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sorbens (5) auf der vom
Gasraum (4) abgewandten Seite des Absorbers (2) angeordnet ist.
Solarthermischer Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der solarthermische Kollektor (1) ein evakuierter Röhrenkollektor ist, wobei die Röhre (16) aus einem für Strahlung im infraroten und/oder sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums zumindest teilweise oder vollständig transparenten Material , insbesondere Glas und/oder einem
Polymerwerkstoff, besteht und im Inneren der Röhre der Absorber (2) angeordnet ist, wobei das Sorbens (5) an beliebiger Position in der Röhre angeordnet ist und bei einer Erhöhung der Temperatur des Kollektors das Sorbens (5) das Arbeitsmittel in das Innere der Röhre freisetzt.
Solarthermischer Kollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Sorbens (5) aus einem Adsoprtions- und/oder Absorptionsmaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus
Zeolithen, zeolithartigen Materialien, Alumino- phosphaten, Silica-Aluminophosphaten, Metall- Aluminophosphaten (MeAPOs), zeolithischen
Imidazolat-Gerüsten (Zeolitic Imidazolate Frameworks (ZiFs)), metallorganischen Gerüst- und Netzwerkverbindungen, porösen Koordinationspolymeren (porous coordination polymers (PCP)), mesoporösen Alumino- und Siliziumverbindungen, Aktivkohlen, Kohlenstoffmolekularsieben, Kohlenstoffnanotubes , Silikagelen, Hexacyanometallaten und/oder Kombinationen hieraus besteht oder diese im Wesentlichen enthält.
Solarthermischer Kollektor nach dem vorhergehen dem Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) die Zeolithe ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Zeolith A, zeolith 4A, Zeolith 5A, Zeolithen X (Faujasite) , insbesondere Zeolith 13X, Zeolithen Y, Zeolithen der vorgenannten Gruppen mit Ausgleichskationen aus gewählt aus der Gruppe bestehend aus H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra und/oder den Kationen der Seltenen Erden, insbesondere La und die Lanthanoiden sowie Actinium und die Gruppe der Actinoide oder Mischungen hiervon,
b) die Aluminophosphate ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus A1PO-4, AlPO-14, A1PO- 18, A1PO-5, A1P0-11 oder Mischungen hiervon, c) die Metall-Aluminophosphate (MeAPOs) ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus FAPO 5 (Eisen-AlPO-5) , MeAPO-11 oder Mischungen hiervon,
die Silica-Aluminophosphate ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus SAPO-34 , SAPO- 38, SAPO-44, SAPO-18, SAPO-5, SAPO-41 oder Mischungen hiervon,
das zeolithische Imidazolat-Gerüst (Zeolitic Imidazolate Framework (ZiF)) ZiF-8 ist, die metallorganischen Gerüst- und Netzwerkverbindungen bzw. die porösen Koordinationspolymere (porous coordination polymers (PCP) ) ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus ZMOFs {zeolite like MOFs) , insbesondere
H UST-1 und/oder der Gruppe der Materiaux de 1' Institut Lavoisier (MILs) , insbesondere MIL-53, MIL-100, MIL-110 und/oder MIL-101 sowie die Gruppe der Materialien DUT (Dresden University of Technology) insbesondere DUT-6 und die Gruppe der Materialien UiO (University of Oslo), insbesondere uiO-66 sowie ISE-1, oder Mischungen hiervon.
Solarthermischer Kollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wasser, Ozon, Lachgas, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Edelgasen sowie bei Temperaturen von oberhalb 80 °C bei Normalbedingungen gasförmigen Kohlenwasserstoffen oder Alkoholen, insbesondere Methan, Ethan, Methanol oder Ethanol sowie Kombinationen oder Mischungen hieraus . Solarthermischer Kollektor nach einem der vor hergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die ärmeübertra gungsVorrichtung einen flüssigen Wärmeträger oder mindestens ein Wärmerohr aufweist.
Solarthermischer Kollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der solarthermische Kollektor {1) mindestens eine Solarzelle (10) auf der Oberfläche des Absorbers (2) aufweist.
Solarthermischer Kollektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Solarzelle (10) auf dem Absorber (2) abgeschieden, beschichtet oder geklebt sind.
Verwendung eines solarthermischen Kollektors nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Fasadenkollektor und/oder Dachkollektor.
Verwendung eines solarthermischen Kollektors nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erzeugung von Warmwasser oder zur Erwärmung einer anderen Flüssigkeit und/oder Warmluft.
Verwendung eines Kollektors nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Gebäudehe zung, Gebäu detrocknung, Bereitstellung von Prozesswärme, z.B. für Bäckereien, Galvanikbetrieben, Wäschereien oder Lackierereien, Trocknung von Lebensmitteln, chemischen Produkten, Holz und/oder Pellets, zum Betreiben von thermisch angetriebe nen Kältemaschinen, bevorzugt sorptionsgestützte Kältemaschinen.
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