WO2000022356A1 - Sonnenkollektor mit temperaturbegrenzung - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a solar collector with a convexly curved absorber base, over which an exchangeable metal foil is stretched, which can be black-selective or coated with solar cells and which has full-surface contact with the absorber base.
  • Solar panels with black selectively absorbing layers can reach standstill temperatures of over 200 ° C. This occurs whenever the hot water tank can no longer absorb heat. Therefore, ethylene glycol is usually used to transfer the heat, and its boiling temperature is above 200 ° C.
  • DE 27 39 797 describes a solar collector in which the light-converting layer is applied to a metal foil.
  • the metal foil is stretched over the absorber bottom. This is convexly curved so that a contact pressure or a thermal contact between the metal foil and the absorber base through which a liquid flows is created.
  • Such a solar collector is particularly suitable for also using the thermal energy component that arises with solar cells.
  • thermal energy component that arises with solar cells.
  • the interchangeability of the foil creates a particularly sustainable concept of a hybrid solar collector, which means that the collector can always be converted according to the latest state of the art without using a lot of material.
  • Such a so-called hybrid solar collector multiplies the area-related degree of utilization, so that multi-storey houses on higher latitudes are made thermally self-sufficient can be.
  • the invention has for its object to design a shadow-free solar collector, the standstill temperature does not exceed the temperature that a freely placed black surface would assume in the sun.
  • the problem is solved in the case of a generic solar collector in that a transparent film is stretched over the metal film coated selectively with black or with solar cells so that it can be brought into full-surface contact with the metal film or the solar cells applied thereon.
  • the transparent film lies on the coated metal film, this or the solar cells applied to it can only assume the temperature that it would or would also assume if installed freely, because a full-surface thermal contact is established, that is, the plastic film becomes the surface of the light converting layer.
  • a heat-insulating air layer must lie or be created between the absorbent layer (coated metal foil) and the transparent foil. This is possible by at least partially lifting off the film from the coated metal film. Optimal efficiency can of course only be achieved if the transparent foil is completely lifted off the metal foil.
  • the film is preferably highly transparent and in particular made of plastic.
  • a fan can preferably be used, which blows air into the airtight box and thus generates a slight overpressure to the outside.
  • the foil is preferably stretched over the coated metal foil or the absorber base covered by it by means of a vertically movable, two-dimensionally acting tensioning mechanism.
  • Figure 1 the basic structure of the solar collector in side view
  • Figure 2 the side view of the film tensioning device
  • Figure 3 the clamping device on the vertical side of the solar panel
  • Figure 4 the top view of spring tongues.
  • the solar collector consists of an airtight, flat box 1, into which a convexly curved absorber base 2 is inserted.
  • the absorber base 2 has two water connections 3.
  • a metal foil 4 is stretched over the absorber base 2, which can be coated with a black-selectively absorbing layer or with solar cells.
  • a transparent plastic film 5 is also stretched over the absorber base 2, which can have a touching contact with the metal film 4 or, as shown in FIG. 1, can be kept at a certain distance from the latter, so that an intermediate space and thus a heat insulating air layer 6 is formed.
  • the box 1 is connected to the outside air via a fan 7 and a dust filter 8.
  • An insulation layer 9 lies between the absorber base 2 and the box 1.
  • the metal foil 4 is stretched over the absorber base 2 by means of the tension lever 10.
  • a tensioning mechanism 11 is used for the plastic film 5, which has to perform several functions simultaneously. It must clamp two-dimensionally and be vertically movable so that the plastic film 5 can assume two states, namely the touching contact with the metal film 4 on the one hand and an almost constant distance to the metal film 4 on the other hand.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the upper side of the solar collector.
  • the metal foil 4 has a loop 12 at the ends through which a tube 13 is inserted.
  • the metal foil 4 is placed over a precision tube 14 and suspended in a hook 15 attached in the tensioning lever 10.
  • a spiral spring 16 holds the metal foil 4 under permanent mechanical tension.
  • the tensioning mechanism 11 for the plastic film 5 consists of a metal band 17 made of stainless spring steel which comprises the entire solar collector and which is slotted according to FIG. 4 in such a way that spring tongues 18 are formed and brackets for the plastic film 5 are formed by bending punched tabs 19 hooked in the same way as was already shown for the metal foil 4.
  • the box 1 is circumferentially shaped according to FIGS. 2 and 3 in such a way that a double hinge 20, to which the metal strip 17 is fastened, can carry out a stroke which is limited upwards and downwards.
  • a double bending spring 21 holds the double hinge 20 in the lower stop and at the same time exerts a torque on the metal strip 17, so that the plastic film 5 is tensioned, even if the thermal expansion of the plastic film 5 leads to changes in length.
  • a soft, elastic, circumferential membrane 22 is inserted, which can be made of silicone rubber, for example.
  • the membrane 22 is fastened to the box 1 in a sealing manner by means of a metal clip 23.
  • the membrane 22 is placed over the metal strip 17, which for this purpose has a curved curve 24 at the top.
  • the highly transparent plastic film 5 lies sealingly over the membrane 22.
  • spring tongues 18 it is expedient to punch the spring tongues 18 in such a way that gaps of 0.1 mm to 0.2 mm are formed between them.
  • the spring tongues 18 are expediently in the middle by 180 ° rotated so that each spring tongue 18 can exert a resilient force in two mutually perpendicular planes. In this way, wrinkling is avoided in the two-dimensional tension.
  • Figure 3 shows the clamping mechanism 11 on the vertical edges of the solar collector.
  • FIGS 2 and 3 show the normal state of the solar collector. This is retained if only electrical energy is to be obtained. If there is a simultaneous need for heat, air is blown into the space between the absorber base 2 with the metal foil 4 on the one hand and the plastic foil 5 on the other hand by means of a central fan 7 to which all solar collectors are connected. The plastic film 5 lifts off and forms the air layer 6. If heat is no longer needed, the fan 7 switches off and the double bending springs 21 bring the solar collector back into the normal state.

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Abstract

Ein Sonnenkollektor mit einem konvex gewölbten Absorberboden (2), über den eine austauschbare, schwarz-selektiv oder mit Solarzellen beschichtete Metallfolie (4) gespannt ist, die mit dem Absorberboden (2) einen ganzflächigen berührenden Kontakt hat, zeichnet sich dadurch aus, dass über die beschichtete Metallfolie (4) bzw. die Solarzellen eine transparente Folie (5) so gespannt ist, dass sie mit der Metallfolie (4) in ganzflächigen Kontakt bringbar ist. Durch den erfindungsgemäßen Sonnenkollektor kann die flächenbezogene Energieausbeute einer Solarzelle vervielfacht werden, weil der thermische Energieanteil ebenfalls genutzt werden kann. Herkömmliche Sonnenkollektoren sind für diesen Zweck weniger geeignet, weil hohe Stillstandstemperaturen und die Schattenbildung des Rahmens den Wirkungsgrad und die Energieausbeute des sogenannten Hybrid-Sonnenkollektors verringern.

Description

Sonnenkollektor mit Temperaturbegrenzung
Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor mit einem konvex gewölbten Absorberboden, über den eine austauschbare Metallfolie gespannt ist, die schwarz-selektiv oder mit Solarzellen beschichtet sein kann und mit dem Absorberboden einen ganzflächig berührenden Kontakt hat.
Sonnenkollektoren mit schwarz-selektiv absorbierenden Schichten können Stillstandstemperaturen bis über 200 °C erreichen. Dieser Fall tritt immer dann ein, wenn der Warmwasserspeicher keine Wärme mehr aufnehmen kann. Zur Übertra- gung der Wärme wird daher meist Äthylenglykol verwendet, dessen Siedetemperatur über 200 °C liegt.
Die DE 27 39 797 beschreibt einen Sonnenkollektor, bei dem die lichtumwandelnde Schicht auf eine Metallfolie aufgetra- gen ist. Die Metallfolie ist über den Absorberboden gespannt. Dieser ist konvex gewölbt, damit ein Anpreßdruck bzw. ein thermischer Kontakt zwischen der Metallfolie und dem von einer Flüssigkeit durchströmten Absorberboden entsteht.
Ein solcher Sonnenkollektor ist besonders geeignet, den bei Solarzellen anfallenden thermischen Energieanteil ebenfalls zu nutzen. So gibt es beispielsweise labormäßig hergestellte Solarzellen mit einer Gesamtabsorption von 97%. Beträgt der elektrische Wirkungsgrad 21%, fallen 76% thermische Energie an. Werden nun die Solarzellen auf eine Metallfolie aufgetragen und diese über den gewölbten Absorberboden gespannt, entsteht wegen der Auswechselbarkeit der Folie ein besonders nachhaltiges Konzept eines Hybrid-Sonnenkollektors, d.h. der Kollektor kann ohne großen Materialeinsatz immer gemäß dem neuesten Stand der Technik umgerüstet werden. Ein solcher sogenannter Hybrid-Sonnenkollektor vervielfacht den flächenbezogenen Nutzungsgrad, so dass auch mehrgeschossige Wohnhäuser auf höheren Breiten thermisch energieautark gemacht werden können.
Die übliche Bauweise von Kollektoren ist für einen Hybrid- Sonnenkollektor weniger geeignet, weil der elektrische Wir- kungsgrad mit steigender Temperatur abnimmt und der Schatten des Rahmens bei schrägem Lichteinfall den Wirkungsgrad und die Energieausbeute beeinträchtigen.
Von dieser Problemstellung ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen schattenfreien Sonnenkollektor zu konzipieren, dessen Stillstandstemperatur nicht die Temperatur übersteigt, die eine frei aufgestellte schwarze Fläche bei Sonneneinstrahlung annehmen würde .
Die Problemlösung erfolgt bei einem gattungsgemäßen Sonnenkollektor dadurch, dass über die schwarz-selektiv oder mit Solarzellen beschichtete Metallfolie eine transparente Folie so gespannt ist, dass sie mit der Metallfolie bzw. den darauf aufgebrachten Solarzellen in ganzflächigen Kontakt bringbar ist.
Liegt die transparente Folie auf der beschichteten Metallfolie auf, kann diese bzw. können die auf ihr aufgebrachten Solarzellen nur die Temperatur annehmen, die sie auch bei freier Installation annehmen würde bzw. würden, weil ein vollflächiger thermischer Kontakt hergestellt ist, das heißt, die Kunststofffolie wird zur Oberfläche der lichtumwandelnden Schicht .
Besteht hingegen ein Bedarf an Wärme, beispielsweis für das Warmwasser oder für die Heizung eines mit Sonnenkollektoren ausgerüsteten Gebäudes, muss zwischen der absorbierenden Schicht (beschichtete Metallfolie) und der transparenten Folie eine wärmedämmende Luftschicht liegen bzw. geschaffen werden. Dies ist möglich, indem die Folie zumindest teilweise von der beschichteten Metallfolie abhebbar ist. Ein optimaler Wirkungsgrad ist natürlich nur erreichbar, wenn die transparente Folie vollständig von der Metallfolie abgehoben ist .
Die Folie ist vorzugsweise hochtransparent und insbesondere aus Kunststoff ausgebildet.
Zum Anheben der transparenten Folie kann vorzugsweise ein Ventilator verwendet werden, der Luft in den luftdichten Kasten bläst und so einen geringen Überdruck gegen außen erzeugt. Durch eine entsprechende Ausgestaltung kann beim
Abheben der Folie ein etwa 30 mm hoher Rahmen entstehen, der aber keine schädlichen Schatten werfen kann, weil im Sommer für die Warmwasserversorgung ausreichend hohe Temperaturen nur bei höherem Sonnenstand erreicht werden und im Winter nur Azimutwinkel auftreten, die bei einem richtig ausgerichteten Sonnenkollektor keine schädlichen Schatten werfen.
Vorzugsweise wird die Folie mittels eines vertikal beweglichen, zweidimensional wirkenden Spannmechanismus über die beschichtete Metallfolie bzw. den durch sie abgedeckten Absorberboden gespannt.
Mit Hilfe einer Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nachfolgend näher erläutert werden. Es zeigt:
Figur 1 - den prinzipiellen Aufbau des Sonnenkollektors in Seitenansicht;
Figur 2 - die Seitenansicht der Folien-Spanneinrichtung;
Figur 3 - die Spanneinrichtung an der vertikalen Seite des Sonnenkollektors;
Figur 4 - die Draufsicht auf Federzungen.
Nach Figur 1 besteht der Sonnenkollektor aus einem luftdich- ten, flachen Kasten 1, in den ein konvex gewölbter Absorberboden 2 eingesetzt ist. Der Absorberboden 2 besitzt zwei Wasseranschlüsse 3. Über den Absorberboden 2 ist eine Metallfolie 4 gespannt, die mit einer schwarz-selektiv absorbierenden Schicht oder mit Solarzellen beschichtet sein kann. Über den Absorberboden 2 ist außerdem eine transparente Kunststofffolie 5 gespannt, die mit der Metallfolie 4 einen berührenden Kontakt haben kann oder auch, wie die Figur 1 zeigt, in einem bestimmten Abstand zu dieser gehalten werden kann, so dass ein Zwischenraum und somit eine wärme- dämmende Luftschicht 6 entsteht. Der Kasten 1 ist mit der Außenluft über einen Ventilator 7 und einen Staubfilter 8 verbunden. Zwischen dem Absorberboden 2 und dem Kasten 1 liegt eine Dämmschicht 9.
Die Metallfolie 4 wird mittels Spannhebel 10 über den Absorberboden 2 gespannt. Für die Kunststofffolie 5 wird ein Spannmechanismus 11 verwendet, der mehrere Funktionen gleichzeitig ausüben muss. Er muss zweidimensional spannen und vertikal beweglich sein, damit die Kunststofffolie 5 zwei Zustände einnehmen kann, nämlich den berührenden Kontakt zur Metallfolie 4 einerseits und einen nahezu konstanten Abstand zur Metallfolie 4 andererseits. Die Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der oberen Seite des Sonnenkollektors. Die Metallfolie 4 besitzt an den Enden eine Schleife 12, durch die ein Rohr 13 gesteckt ist. Die Metallfolie 4 wird über ein Präzisionsrohr 14 gelegt und in einen im Spannhebel 10 angebrachten Haken 15 eingehängt.
Eine Biegefeder 16 hält die Metallfolie 4 unter einer dauerhaften mechanischen Spannung.
Der Spannmechanismus 11 für die Kunststofffolie 5 besteht aus einem den gesamten Sonnenkollektor umfassenden Metallband 17 aus rostfreiem Federstahl, das nach Figur 4 so geschlitzt ist, dass Federzungen 18 entstehen und durch Umbiegen gestanzter Laschen 19 Halterungen für die Kunststofffolie 5. Diese ist in den Laschen 19 in gleicher Weise einge- hängt, wie es bereits für die Metallfolie 4 gezeigt wurde.
Der Kasten 1 ist nach den Figuren 2 und 3 umlaufend so geformt, dass ein Doppelscharnier 20, an dem das Metallband 17 befestigt ist, einen nach unten und oben begrenzten Hub aus- führen kann. Eine Doppelbiegefeder 21 hält das Doppelscharnier 20 im unteren Anschlag und übt gleichzeitig auf das Metallband 17 ein Drehmoment aus, so dass die Kunststofffolie 5 gespannt ist, auch wenn die thermische Ausdehnung der Kunststofffolie 5 zu Längenänderungen führt.
Zwischen dem Kasten 1 und dem Metallband 17 ist eine weichelastische, umlaufende Membran 22 eingelegt, die beispielsweise aus Silikonkautschuk bestehen kann. Die Membran 22 ist mittels einer Metallspange 23 an dem Kasten 1 dichtend befe- stigt. Die Membran 22 wird über das Metallband 17 gelegt, das zu diesem Zweck oben eine gebogene Rundung 24 besitzt. Über der Membran 22 liegt dichtend die hochtransparente Kunststofffolie 5.
Es ist zweckmäßig, die Federzungen 18 so zu stanzen, dass zwischen ihnen Spalten von 0,1 mm bis 0,2 mm entstehen. Die Federzungen 18 sind zweckmäßigerweise in der Mitte um 180° verdreht, so dass jede Federzunge 18 in zwei zueinander senkrechten Ebenen eine federnde Kraft ausüben kann. Auf diese Weise wird bei der zweidimensionalen Spannung eine Faltenbildung vermieden.
Figur 3 zeigt den Spannmechanismus 11 an den vertikalen Kanten des Sonnenkollektors .
Die Figuren 2 und 3 zeigen den Normalzustand des Sonnenkol- lektors . Dieser bleibt erhalten, wenn ausschließlich elektrische Energie gewonnen werden soll. Besteht ein gleichzeitiger Bedarf an Wärme, wird mittels eines zentralen Ventilators 7, an den alle Sonnenkollektoren angeschlossen sind, Luft in den Zwischenraum zwischen dem Absorberboden 2 mit der Metallfolie 4 einerseits und der Kunststofffolie 5 andererseits geblasen. Die Kunststofffolie 5 hebt sich ab und bildet die Luftschicht 6. Wird keine Wärme mehr gebraucht, schaltet sich der Ventilator 7 ab und die Doppelbiegefedern 21 bringen den Sonnenkollektor in den Normalzustand zurück.
Mit einer intelligenten Regelung ist es möglich, auch dann Wärme zu gewinnen, wenn die Kunststofffolie 5 den berührenden Kontakt zu Metallfolie 4 beibehält. In diesem Fall wird wegen des schlechteren Wirkungsgrades der Wärmegewinnung der elektrische Wirkungsgrad eines Hybrid-Sonnenkollektors erhöht, weil das vom Warmwasserspeicher kommende, kühlere Wasser den Sonnenkollektor länger auf einer niedrigeren Temperatur hält. Diese Betriebsart kann im Sommer bei hoher Einstrahlung nützlich sein.
In heißen Klimazonen kann es nützlich sein, den Sonnenkollektor nachts zur Kühlung von Wasser als Wärmetauscher zu verwenden, um dann am Tage dieses Wasser zur Kühlung der Solarzellen zu verwenden. Bezugszeichenliste
1 Kasten
2 Absorberboden
3 Wasseranschlüsse
4 Metallfolie
5 Kunststofffolie/Folie
6 Luftschicht
7 Ventilator
8 Staubfilter
9 Dämmschicht
10 Spannhebel
11 Spannmechanismus
12 Schleife
13 Metallrohr
14 Präzisionsrohr
15 Haken
16 Biegefeder
17 Metallband
18 Federzunge
19 Lasche
20 Doppelscharnier
21 Doppelbiegefeder
22 Membran
23 Metallspange
24 Rundung

Claims

Patentansprüche
1. Sonnenkollektor mit einem konvex gewölbten Absorberbo- den (2), über den eine austauschbare, schwarz-selektiv oder mit Solarzellen beschichtete Metallfolie (4) gespannt ist, die mit dem Absorberboden (2) in ganzflächigem Berührungskontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass über die beschichtete Metallfolie (4) bzw. die Solarzellen ein transparente Folie (5) so gespannt ist, dass sie mit der Metallfolie (4) in ganzflächigen Kontakt bringbar ist .
2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, dass zur Ausbildung eines Zwischenraumes zwischen der Metallfolie (4) und der transparenten Folie (5) die Folie (5) zumindest teilweise von der Metallfolie (4) abhebbar ist .
3. Sonnenkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum mit Luft füllbar ist.
4. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie hochtransparent ist.
5. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (5) aus Kunststoff besteht.
6. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, dass die Folie (5) mittels eines vertikal beweglichen, zweidimensional wirkenden Spannmechanismus (11) über die beschichtete Metallfolie (4) bzw. den Absorberboden (2) gespannt ist. Sonnenkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor einen luftdichten Kasten (1) aufweist, an dem ein Ventilator (7) so montiert ist, dass durch den Ventilator (7) Luft zwischen die beschichtete Metallfolie (4) und der Folie (5) eingeblasen werden kann, so dass sich zwischen den Folien (4, 5) ein Zwischenraum (6) ausbildet.
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