WO2006027188A1 - Solarkollektor mit transluzenter abdeckung - Google Patents

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WO2006027188A1
WO2006027188A1 PCT/EP2005/009521 EP2005009521W WO2006027188A1 WO 2006027188 A1 WO2006027188 A1 WO 2006027188A1 EP 2005009521 W EP2005009521 W EP 2005009521W WO 2006027188 A1 WO2006027188 A1 WO 2006027188A1
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WO
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cover
structuring
solar collector
collector according
radiation
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/009521
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Nitz
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/10—Prisms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S80/00—Details, accessories or component parts of solar heat collectors not provided for in groups F24S10/00-F24S70/00
    • F24S80/50—Elements for transmitting incoming solar rays and preventing outgoing heat radiation; Transparent coverings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S80/00—Details, accessories or component parts of solar heat collectors not provided for in groups F24S10/00-F24S70/00
    • F24S80/50—Elements for transmitting incoming solar rays and preventing outgoing heat radiation; Transparent coverings
    • F24S80/56—Elements for transmitting incoming solar rays and preventing outgoing heat radiation; Transparent coverings characterised by means for preventing heat loss
    • 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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

Definitions

  • Patent Application Solar collector with translucent cover
  • the invention relates to a solar collector with an absorber material and an at least in the direction of irradiation mounted, at least partially translucent cover.
  • solar collectors are typically used to heat a heat carrier with solar energy and to harness the heat energy within buildings.
  • a solar collector is made of a material with high thermal conductivity, such as aluminum.
  • This absorber material can occasionally be provided with a coating which further increases the absorption of sunlight and thus the efficiency.
  • the absorber material is flowed through by a heat transfer medium and releases its heat energy to the heat transfer medium.
  • this housing In order to allow the entry of sunlight, this housing has on its upper side a transparent or translucent cover.
  • a disadvantage of this embodiment is in particular that the cover by reflection and absorption of the incident radiation reduces the efficiency of the system. In the past, therefore, different proposals have been made to reduce these radiation losses. It should be noted that both Degree of reflection as well as the degree of absorption of the cover depend not only on the nature of the cover, but also substantially on the angle of incidence of the radiation.
  • structuring of the cover achieves a reduction in the degree of reflection of radiation incident at large angles, while the degree of reflection is even increased under normal incidence.
  • light is not incident from vertical or near-vertical angles for the majority of the times, it is possible to increase the total collector output as a whole by reducing reflection at high angles of incidence, even if the reflectance increases at normal incidence.
  • Collector standstill in which temperatures in the collector far exceed the usual maximum operating temperatures. These high temperatures can adversely affect the life of the collector. Accordingly, it may be desirable to selectively reduce the collector yield at certain times of the year (typically in mid-summer) to avoid the "collector standstill" operating state and the associated overheating.
  • the object of the present invention is therefore to reduce the reflection losses of the collector cover and thus to increase the total yields of the collector. Furthermore, the object of the present invention is to avoid overheating of the collector, which may occur according to the prior art, especially in midsummer.
  • the object is achieved by a solar collector with an absorber material and a mounted at least in the direction of irradiation, at least partially translucent cover, wherein the cover has a structuring both on the absorber side facing as well as on the opposite side.
  • the structuring is designed so that it causes no concentration of incident on the cover radiation. According to the invention, it has been recognized that to increase the overall yield of a solar collector not only the reflection at normal incidence of light is of interest, but above all the reflection of non-perpendicularly incident light.
  • the effective local incident surface of the radiation has a different angle to the incident radiation than the main surface of the cover or of the collector. If, according to the invention, the angle of incidence with respect to the local incident surface is smaller than that with respect to the cover as a whole, the reflectance at the is reduced Interface. As a result, the coupling of the radiation is significantly improved in the transparent cover. According to the prior art, however, no efficient decoupling of the radiation takes place on the second, flat surface of the cover. Rather, there are big ones here
  • structuring is understood to mean that the local surface normal (and thus the local angle of incidence of radiation which determines the reflectance) does not coincide with the global surface normal of the cover or the collector everywhere on the cover.
  • a structuring is provided whose structural elements are large in comparison to the wavelength of the visible light.
  • “large” is meant that the structural elements are so large that the laws of geometric optics are applicable, the diffraction effects on the structural elements are thus negligible, rather local surface areas are formed, for which the ray optics can be used Wavelength of the visible light of about 400 nm to about 800 nm and solar radiation to about 2500 nm, this is achieved in any case, when the structural elements have dimensions in the order of about 0.5 mm or larger.
  • an anti-reflection coating in the form of a
  • the translucent cover is made of glass.
  • any transparent material such as polymers, glasses or heat radiation transparent semiconductor materials
  • mineral glasses represent a cost-effective and durable solution at the same time.
  • these materials have also in Long-term test proven.
  • glass, in particular white glass has only one in the entire solar spectral range compared with e.g. to polymers low absorption.
  • the structuring of a cover according to the invention can be carried out, for example, by extruding the material through correspondingly shaped nozzles.
  • the disk heated to plastic ductility is brought into contact with the roller.
  • Other methods include, for example, the photocatalytic curing of a suitable, crosslinkable lacquer upon contact with the structured tool.
  • both one-dimensional and two-dimensional structures can be applied to the pane in this way.
  • two glass sheets structured on one side can be joined together in a particularly simple manner with a film or adhesive layer in the manner of a laminated safety glass to form a pane structured on both sides.
  • a double-sided textured cover is obtained, which additionally meets increased requirements in terms of breakthrough für- or bullet behavior.
  • covers made of safety glass are particularly desirable in facade collectors in which falling fragments of defective covers are undesirable or could pose a security risk.
  • the structuring of the transparent cover is executed at least on one side in one dimension in a translation-invariant manner.
  • An advantage of this Embodiment is the particularly simple production, in which a structuring roller only has to have a few grooves. Thus, it is conceivable, for example, to cut such grooves seamlessly into a cylindrical roller and thus to replicate structures in a continuous process without butt welds on large surfaces. In principle, all structures produced by extrusion also have a translational invariance in the direction of extrusion.
  • the structuring can also be carried out in two dimensions. If the structure is similar in both directions, the visual impression of the surface corresponds to deposited drops or pyramids or truncated pyramids. However, the structure may also have a completely different shape and amplitude in the second dimension than in the first dimension.
  • the structuring may be carried out to include several 90 ° prisms. Viewed in the cross-sectional direction, this results in an interface which corresponds to a right-angled triangle.
  • the main incident surface of the radiation can be adapted both in direction and in size to the respective geometry of the solar collector.
  • the prisms abut one another directly, or an embodiment in which two adjacent structural elements are laterally separated from each other by a planar surface portion of the surface.
  • the structures are not limited to 90 ° prisms. Rather, it may be desirable to choose different prism angles and orientations, such as in addition to reflection reduction for most non-perpendicular incidence angles that occur Hiding radiation that is incident on typical summer midsurfaces.
  • An alternative form of structuring represents a wave structure. Again, the expert will adapt the exact shape of the profile by simple ray tracing methods to the geometry of the collector and the installation site. Conceivable here would be e.g. Wave structures which are formed by circular arcs, clothoids, parabolic or hyperbolic curves or by freeform surfaces or combinations of said curves.
  • the wave structure has a sinusoidal shape.
  • the structuring can take place in one or both directions of coverage of the cover. In the latter case one speaks of two-dimensional wave lattices or of two-dimensional sine lattices.
  • both sides may have different shapes, heights and / or periodicities.
  • the structures of both sides can be offset from each other.
  • the covers structured in accordance with the invention on both sides, it is possible to embody the cover in such a way that radiation incident obliquely onto the collector is largely unhindered and thus to a greater extent than in the prior art Collector surface impinges. Furthermore, however, the surface can be configured so that light is attenuated or hidden under very specific angles of incidence or angle.
  • An object of the invention is to make the usable
  • Vertical or near-vertical radiation occurs (in European latitudes for collectors installed on roofs inclined to the south), in particular in midsummer and in particular around noon. In the cold
  • the collector is exposed to predominantly oblique incident radiation. More generally, the angles of incidence of direct solar radiation vary day and time in a typical manner dependent on location and orientation. From the field of glazings with structured surfaces, it is known that structures can be used to fade in or fade in light incident from certain directions. This effect can also be structured
  • Collector covers can be used to block out excess radiation, which can occur in midsummer under the typical angles of incidence for this season. Thus, the transmitted through the cover and incident on the collector
  • Fig. 1 and Fig. 2 each show a transparent cover in cross section.
  • the cover according to Fig.l is unilaterally according to the prior art, which structured on both sides according to Fig.2.
  • Fig.2 In each case in the left part of the figure, the direction of a light beam incident at shallow angles is shown.
  • the course of a vertically incident light beam is shown.
  • Both figures show a one-dimensional structuring executed, comprising 90 ° prisms in the form of isosceles triangles. If a light beam, for example in the morning hours, strikes the cover according to FIG. 1 at a shallow angle, it is coupled into the material of the cover by the inclined entry surface with low losses. At the opposite, planar interface, however, total reflection occurs. Thus, the light beam is deflected by 90 ° and leaves the cover through the top. Thus, no radiation is available for energy on the actual collector surface. Instead, the transparent cover acts as a mirror, which can cause disturbing reflections on neighboring buildings. At normal incidence at lunchtime, the light rays impinge perpendicularly on the transparent cover.
  • the oblique interface leads to a deflection of the light beam by refraction.
  • the now incident obliquely on the lower boundary surface light beam is refracted again in the opposite direction.
  • the permeability of the cover is high in this situation.
  • a collector which is equipped with a cover according to Fig.l, be usable only around noon around for energy. Owing to the oversupply of thermal radiation during this period, overheating problems occur, for example due to a reduction in the collector area can be countered. Thus, on darker days or in the cold season of the yield is further reduced.
  • the cover which is structured on both sides and is illustrated in FIG. 2, thus permits full utilization of the obliquely incident radiation, as desired.
  • the amount of light incident on the collector at midday from vertical directions is transmitted only partially and laterally to another part led out of the collector. Thus, overheating problems are reliably prevented.
  • FIGS. Fig. 3 shows a triangular structure on both sides.
  • the thickness of the cover remains constant, since the elevations lie on one side opposite recesses on the other side.
  • a different thickness of the covers results along the surface, since the elevations and depressions in each case face one another.
  • FIGS. 5 and 6 show sinusoidal structures on both sides, respectively.
  • the protrusions on one side opposite recesses on the other side This results in a uniform thickness of the cover.
  • the cover having the structure shown in Fig. 6 has a thickness different along the surface because the projections on one side face recesses on the other side.
  • the structures of the opposite sides are neither exactly parallel nor exactly offset, e.g. Structures with different periods, against each other twisted structures or structures with an offset that does not correspond to a multiple of half the period.

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Abstract

Solarkollektor mit einem Absorbermaterial und einer zumindest in Einstrahlrichtung angebrachten, zumindest teilweise transluzenten Abdeckung, welche sowohl auf der dem Absorber zugewandten Seite als auch auf der gegenüberliegenden Seite eine Strukturierung mit Strukturelementen, deren Abmessungen groß im Vergleich zur Wellenlänge des sichtbaren Lichts sind, aufweist.

Description

Patentanmeldung: Solarkollektor mit transluzenter Abdeckung
Die Erfindung betrifft einen Solarkollektor mit einem Absorbermaterial und einer zumindest in Einstrahlrichtung angebrachten, zumindest teilweise transluzenten Abdeckung. Solche Solarkollektoren werden typischerweise verwendet, um mit Sonnenenergie einen Wärmeträger aufzuheizen und die Wärmeenergie innerhalb von Gebäuden nutzbar zu machen.
Nach dem Stand der Technik besteht ein Solarkollektor aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Aluminium. Dieses Absorbermaterial kann fallweise mit einer Beschichtung versehen werden, welche die Absorption von Sonnenlicht und damit die Effizienz weiter erhöht. Das Absorbermaterial wird von einem Wärmeträger durchströmt und gibt dabei seine Wärmeenergie an den Wärmeträger ab. Zum Schutz vor Witterungseinflüssen und zur thermischen Isolation ist dieses Absorbermaterial in einem Gehäuse eingebaut. Um den Eintritt von Sonnenlicht zu ermöglichen, weist dieses Gehäuse an seiner Oberseite eine transparente oder transluzente Abdeckung auf.
Nachteilig an dieser Ausführungsform ist insbesondere, dass die Abdeckung durch Reflexion und Absorption der auftreffenden Strahlung die Effizienz des Systems mindert. In der Vergangenheit wurden daher bereits unterschiedliche Vorschläge gemacht, um diese Strahlungsverluste zu vermindern. Dabei ist zu beachten, dass sowohl Reflexionsgrad wie auch Absorptionsgrad der Abdeckung nicht nur von der Beschaffenheit der Abdeckung, sondern ganz wesentlich auch vom Einfallswinkel der Strahlung abhängen.
Aus S. Furbo, L. Jivan Shah, Thermal advantages for solar heating Systems with a glass cover with antireflection surfaces, Solar Energy, 74 (2003), 513 ist bekannt, eine transparente Abdeckung aus mineralischem Glas, welche die Form einer planparallelen Platte aufweist, mit einer reflexionsvermindernden Beschichtung zu versehen. Durch diese Beschichtung erhöht sich der transmittierte Anteil der Strahlung bei senkrechtem Einfall um 4 %, was eine Leistungssteigerung des Solarkollektors um 6 - 13 % bewirkt. Nachteilig an dieser Ausführungsform ist jedoch, dass die Beschichtung nur auf mineralischen Gläsern möglich ist. Weiterhin führen diese Beschichtungen zu einer erheblichen Preissteigerung des Produktes. Derartige Antireflexbeschichtungen auf planen Abdeckungen zielen darauf ab, den Reflexionsgrad der Grenzflächen insgesamt zu reduzieren.
Durch eine Strukturierung der Abdeckung erreicht man dagegen eine Reduzierung des Reflexionsgrades für Strahlung, die unter großen Winkeln einfällt, während der Reflexionsgrad unter senkrechtem Einfall sogar erhöht wird. Da aber zur Mehrheit der Zeiten Licht nicht aus senkrechten oder nah-senkrechten Winkeln einfällt, ist es möglich, den Gesamtertrag des Kollektors insgesamt durch Reflexionsminderung bei großen Einfallswinkeln zu erhöhen, selbst wenn der Reflexionsgrad bei senkrechtem Einfall ansteigt.
Weiterhin ist allgemein bekannt, eine einseitige Strukturierung der Oberfläche der transparenten Abdeckung vorzunehmen. Je nachdem, ob diese Strukturierung auf der Ober- oder Unterseite aufgebracht ist, wird die Ein- oder Auskoppelung auftreffender Strahlung erleichtert, die unter großen Winkeln bezüglich der Flächennormalen (Senkrechten) der Abdeckung einfällt. Nach wie vor existiert jedoch eine weitere, plane Grenzfläche. Im Zusammenspiel der beiden Grenzflächen kann die durch
Brechung an der innenliegenden Grenzfläche hervorgerufene Ablenkung bis zur Totalreflexion reichen. Somit kann die Energie dieser Lichtstrahlen nicht genutzt werden. Dies ist generell unerwünscht, mit einer Ausnahme: kann z.B. im Hochsommer der Kollektorertrag vom System nicht mehr abgenommen werden weil die Speicherkapazität ausgeschöpft ist, besteht die Gefahr des sogenannten
Kollektorstillstandes, in dem im Kollektor Temperaturen weit über den sonst üblichen maximalen Betriebstemperaturen auftreten. Diese hohen Temperaturen können sich ungünstig auf die Lebensdauer des Kollektors auswirken. Demnach kann es wünschenswert sein, den Kollektorertrag zu gewissen Jahreszeiten (typischerweise im Hochsommer) gezielt zu reduzieren, um den Betriebszustand "Kollektorstillstand" und die damit verbundene Überhitzung zu vermeiden.
Aus der DE 29 07 245 Al und der DE 40 06 516 Al sind transparente Abdeckungen bekannt, die auf der Oberseite und der Unterseite eine Strukturierung aufweisen. Diese Strukturierungen sind dabei so ausgebildet, dass auf die Oberfläche auftreffende Strahlung fokussiert werden kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, die Reflexionsverluste der Kollektorabdeckung zu verringern und damit die Gesamterträge des Kollektors zu steigern. Weiterhin besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Überhitzung des Kollektors zu vermeiden, welche nach dem Stand der Technik insbesondere im Hochsommer auftreten kann. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Solarkollektor mit einem Absorbermaterial und einer zumindest in Einstrahlrichtung angebrachten, zumindest teilweise transluzenten Abdeckung, bei welcher die Abdeckung sowohl auf der dem Absorber zugewandten Seite als auch auf der gegenüberliegenden Seite eine Strukturierung aufweist. Die Strukturierung ist dabei so ausgebildet, dass sie keine Konzentration von auf die Abdeckung auftreffender Strahlung bewirkt. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass zur Steigerung der Gesamterträge eines Solarkollektors nicht nur die Reflexion bei senkrechtem Lichteinfall von Interesse ist, sondern vor allem die Reflexion von nicht-senkrecht einfallendem Licht. Dies liegt insbesondere daran, dass selbst bei entsprechend gewählter Orientierung des Kollektors ein senkrechter bzw. nah-senkrechter Einfall der Direktstrahlung jeweils nur zu einem bestimmten Zeitpunkt des Tages vorliegt. Ohne aufwändige Nachführeinrichtung wird die Direktstrahlung zu weitaus überwiegender Zeit aus großen Einfallswinkeln auf die Kollektoroberfläche treffen. Darüber hinaus wurde erkannt, dass in Mitteleuropa 50 % der Energie nicht durch Direkt- sondern durch Diffusstrahlung eintreffen. Somit liegt auch hier ein nicht-senkrechter Einfall vor. Ebenfalls für die Anwendung der Erfindung wichtige Beispiele sind Kollektoren, die an vertikalen oder nur leicht geneigten Fassaden angebracht oder in diese integriert sind. Bei diesen tritt noch seltener bzw. bei vertikalen Fassaden nie ein zur Abdeckung senkrechter Lichteinfall auf.
Durch die erfindungsgemäße Strukturierung der Oberfläche weist die effektive, lokale Einfallsfläche der Strahlung einen anderen Winkel zur einfallenden Strahlung auf als die Hauptfläche der Abdeckung bzw. des Kollektors. Ist der Einfallswinkel bezüglich der lokalen Einfallsfläche erfindungsgemäß kleiner als der bezüglich der Abdeckung insgesamt, reduziert sich der Reflexionsgrad an der Grenzfläche. Hierdurch wird die Einkoppelung der Strahlung in die transparente Abdeckung erheblich verbessert. Nach dem Stand der Technik findet jedoch an der zweiten, ebenen Fläche der Abdeckung keine effiziente Auskoppelung der Strahlung statt. Vielmehr treten hier große
Ablenkungswinkel bis zur Totalreflexion auf. Nach der vorliegenden Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, durch eine Strukturierung der Innenseite eine weitere, optisch aktive Fläche zu gestalten, welche eine effiziente Auskoppelung der Strahlung aus der transparenten Abdeckung gestattet.
Unter Strukturierung im Sinne dieser Erfindung soll dabei verstanden werden, dass die lokale Flächennormale (und damit der lokale Einfallswinkel von Strahlung, der den Reflexionsgrad bestimmt) nicht überall auf der Abdeckung mit der globalen Flächennormalen der Abdeckung bzw. des Kollektors übereinstimmt.
Hierzu ist eine Strukturierung vorgesehen, deren Strukturelemente im Vergleich zur Wellenlänge des sichtbaren Lichts groß sind. Unter „groß" ist hierbei zu verstehen, dass die Strukturelemente so groß sind, dass die Gesetze der geometrischen Optik anwendbar sind. Die Beugungseffekte an den Strukturelementen sind somit vernachlässigbar. Vielmehr bilden sich lokale Oberflächenbereiche aus, für die die Strahlenoptik anwendbar ist. Bei einer Wellenlänge des sichtbaren Lichts von etwa 400 nm bis etwa 800 nm und Solarstrahlung bis etwa 2500 nm wird dies in jedem Fall erreicht, wenn die Strukturelemente Abmessungen in der Größenordnung von etwa 0,5 mm oder größer aufweisen.
Durch die aus dem Stand der Technik bekannten Abdeckungen, mit denen eine Fokussierung der Strahlung bewirkt werden kann, ist eine verbesserte Einkopplung der Diffusstrahlung, welche ja nicht fokussiert werden kann, nicht möglich. Zudem benötigen konzentrierende Systeme in der Regel aufwändige Nachführeinrichtungen. Durch Fokussierung können sich darüber hinaus im Kollektor einzelne Bereiche mit erhöhter Temperatur ergeben, wodurch der Wirkungsgrad absinkt.
Ungeachtet dessen kann die Abdeckung zusätzlich zur erfindungsgemäßen Strukturierung eine Antireflexbeschichtung in Form einer
Subwellenlängenstruktur oder einer Dünnfilm-Beschichtung aufweisen, die die Fresnel ' sehen Reflexionen an den Grenzflächen vermindert.
Bei Abdeckungen, die nur Strukturierungen in Form einer Subwellenlängenstruktur aufweisen, wie sie aus der EP 1 301 443 und der WO 03/046617 bekannt sind, besteht das Problem, dass deren Wirkung keine oder nur eine geringe Abhängigkeit vom Einfallswinkel aufweist. Damit ist es insbesondere schwer möglich Überhitzungen zu vermeiden.
In einer besonders bevorzugten Ausführung besteht die transluzente Abdeckung aus Glas. Obgleich die Herstellung der Abdeckung aus jedem transparenten Material, wie beispielsweise Polymere, Gläser oder für Wärmestrahlung transparente Halbleitermaterialien erfolgen kann, stellen mineralische Gläser eine zugleich kostengünstige und haltbare Lösung dar. Insbesondere bei hoher thermischer und/oder UV-Belastung haben sich diese Materialien auch im Langzeitversuch bewährt. Ausserdem weist Glas, insbesondere Weissglas, im gesamten solaren Spektralbereich nur eine im Vergleich z.B. zu Polymeren geringe Absorption auf.
Die Strukturierung einer erfindungsgemäßen Abdeckung kann beispielsweise durch Extrudieren des Materials durch entsprechend geformte Düsen erfolgen. Bevorzugt ist jedoch, eine zunächst plane Abdeckplatte während ihrer Herstellung oder nachträglich durch Walzen mit einer entsprechend strukturierten Walze zu formen. Es gibt mehrere Verfahren für eine derartige Strukturierung. Bei einer thermoplastischen Strukturierung wird die bis zur plastischen Verformbarkeit erwärmte Scheibe mit der Walze in Kontakt gebracht. Andere Verfahren sind z.B. die fotokatalytische Aushärtung eines geeigneten, vernetzbaren Lackes bei Kontakt mit dem strukturierten Werkzeug. Je nach Formung des Werkzeuges können auf diese Weise sowohl eindimensionale als auch zweidimensionale Strukturen auf die Scheibe aufgebracht werden. Weiterhin ist es möglich, die Scheibe durch diese Verfahren in einem Arbeitsgang sowohl einseitig als auch zweiseitig zu strukturieren.
In einer weiteren bevorzugten Herstellmethode können zwei einseitig strukturierte Glasplatten in besonders einfacher Weise mit einer Folie oder Klebeschicht nach Art eines Verbund-Sicherheitsglases zu einer beidseitig strukturierten Scheibe zusammengefügt werden. Auf diese Weise wird eine beidseitig strukturierte Abdeckung erhalten, welche zusätzlich erhöhte Anforderungen in Bezug auf Durchbruch- Durchwurf- oder Durchschussverhalten erfüllt. Derartige Abdeckungen aus Sicherheitsglas sind insbesondere bei Fassadenkollektoren wünschenswert, bei denen herabfallende Bruchstücke von defekten Abdeckungen unerwünscht sind oder ein Sicherheitsrisiko darstellen könnten.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Strukturierung der transparenten Abdeckung zumindest einseitig in einer Dimension translationsinvariant ausgeführt. Dies bedeutet, dass die Oberflächentextur der Abdeckung lediglich entlang einer Richtung der transparenten Abdeckung auftritt. In der dazu orthogonalen Richtung setzt sich dieses Profil der Abdeckung dann translationsinvariant fort. Auf diese Weise entsteht beispielsweise der optische Eindruck von Rippen oder Trapez- bzw. Wellblech. Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist die besonders einfache Herstellung, bei welcher eine Strukturierungswalze lediglich einige Nuten aufweisen muss. So ist es z.B. denkbar, derartige Nuten nahtlos in eine zylindrische Walze zu schneiden und damit in einem Endlos-Verfahren Strukturen ohne Stoßnähte auf großen Flächen zu replizieren. Grundsätzlich weisen auch alle durch Extrusion hergestellten Strukturen eine Translationsinvarianz in Extrusionsrichtung auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Strukturierung auch in zwei Dimensionen ausgeführt werden. Ist die Struktur in beiden Richtungen ähnlich, entspricht der optische Eindruck der Oberfläche aufgebrachten Tropfen bzw. Pyramiden oder Pyramidenstumpfen. Die Struktur kann in der zweiten Dimension aber auch eine gänzlich andere Form und Amplitude aufweisen als in der ersten Dimension.
Unabhängig davon, ob die Strukturierung in einer oder in beiden Richtungen ausgeführt wird, kann diese dergestalt ausgeführt werden, dass sie mehrere 90°-Prismen umfasst. In Querschnittsrichtung betrachtet, ergibt sich damit eine Grenzfläche, welche einem rechtwinkeligen Dreieck entspricht. Durch Anpassen der Längen der beiden Katheten kann die Haupteinfallsfläche der Strahlung sowohl in Richtung als auch in der Größe an die jeweilige Geometrie des Sonnenkollektors angepasst werden. Dabei wird der Fachmann selbstverständlich eine Ausführungsform in Betracht ziehen, bei welcher die Prismen direkt aneinander stoßen, oder aber eine Ausführungsform, bei welcher zwei benachbarte Strukturelemente durch einen ebenen Flächenabschnitt der Oberfläche lateral voneinander getrennt sind. Die Strukturen sind jedoch nicht beschränkt auf 90°-Prismen. Vielmehr kann es wünschenswert sein, andere Prismenwinkel und -ausrichtungen zu wählen, um etwa zusätzlich zur Reflexionsminderung für die meisten auftretenden nicht-senkrechten Einfallswinkel die Strahlung auszublenden, die unter für den Hochsommer typischen Winkeln einfällt.
Eine alternative Form der Strukturierung stellt eine Wellenstruktur dar. Auch hier wird der Fachmann die exakte Form des Profils durch einfache Raytracing-Methoden an die Geometrie des Kollektors und den Aufstellort anpassen. Denkbar wären hier z.B. Wellenstrukturen, welche durch Kreisbögen, Klothoiden, parabel- oder hyperbelförmige Kurven oder durch Freiformflachen bzw. Kombinationen der genannten Kurven gebildet werden.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher die Wellenstruktur eine Sinusform aufweist. Auch bei den genannten wellenförmigen Strukturen kann die Strukturierung in einer oder in beiden Erstreckungs- richtungen der Abdeckung erfolgen. Im letzteren Fall spricht man von zweidimensionalen Wellengittern bzw. von zweidimensionalen Sinusgittern.
Selbstverständlich ist auch die Kombination zweier eindimensional strukturierter Oberflächen möglich, deren Strukturierungsrichtung voneinander abweichen. Weiterhin ist es selbstverständlich möglich, nur eine Seite zweidimensional, die andere Seite aber eindimensional zu strukturieren.
Weiterhin wird der Fachmann beide Oberflächen unabhängig voneinander optimieren, so dass die Strukturen beider Seiten unterschiedliche Formen, Höhen und/oder Periodizitäten aufweisen können. Weiterhin können die Strukturen beider Seiten gegeneinander versetzt verlaufen.
Durch die erfindungsgemäß doppelseitig strukturierten Abdeckungen ist es möglich, die Abdeckung dergestalt auszugestalten, dass schräg auf den Kollektor eintreffende Strahlung weitgehend ungehindert und damit in größerem Maße als nach dem bisherigen Stand der Technik auf die Kollektoroberfläche auftrifft. Weiterhin kann die Oberfläche jedoch so ausgestaltet werden, dass Licht unter ganz bestimmten Einfallswinkeln oder -winkelbereichen abgeschwächt oder ausgeblendet wird.
Ein Ziel der Erfindung ist es, den nutzbaren
Kollektorertrag insgesamt zu erhöhen. Senkrecht bzw. nah¬ senkrecht auftreffende Strahlung tritt (in europäischen Breiten bei Kollektoren, die auf nach Süden geneigten Dächern installiert sind) insbesondere im Hochsommer und insbesondere um die Mittagsstunden auf. In der kalten
Jahreszeit sowie in den Morgen- und Abendstunden wird der Kollektor hingegen überwiegend schräg auftreffender Strahlung ausgesetzt. Allgemeiner formuliert variieren die Einfallswinkel von direkter Sonnenstrahlung tageszeitlich wie saisonal in einer von Standort und Ausrichtung abhängigen, typischen Art und Weise. Aus dem Bereich von Verglasungen mit strukturierten Oberflächen ist bekannt, dass Strukturen dazu eingesetzt werden können, Licht ab- oder auszublenden, das aus bestimmten Richtungen einfällt. Dieser Effekt kann auch bei strukturierten
Kollektorabdeckungen dazu verwendet werden, überschüssige Einstrahlung wie sie im Hochsommer unter den für diese Saison typischen Einfallswinkelbereichen auftreten kann, abzublenden. Somit wird die durch die Abdeckung transmittierte und auf den Kollektor auftreffende
Strahlung ohne aktive Nachführeinrichtung oder Beschattung zu den Zeiten gemindert, in dem diese im Übermaß zur Verfügung steht. Überhitzungsprobleme treten daher mit dieser Art einer erfindungsgemäßen Abdeckung nicht mehr auf. Der Sonnenkollektor kann somit ohne negative Folgen größer ausgelegt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungs¬ beispiels näher erläutert werden: Fig. 1 und Fig.2 zeigen jeweils eine transparente Abdeckung im Querschnitt. Die Abdeckung nach Fig.l ist dabei gemäß dem Stand der Technik einseitig, die nach Fig.2 beidseitig strukturiert. Jeweils im linken Teil der Figur ist die Laufrichtung eines unter flachen Winkeln auftreffenden Lichtstrahles gezeigt. Im rechten Bereich der Figur ist der Verlauf eines senkrecht auftreffenden Lichtstrahles dargestellt.
Beide Figuren zeigen eine eindimensional ausgeführte Strukturierung,, welche 90°-Prismen in Form von gleichschenkeligen Dreiecken umfasst. Trifft ein Lichtstrahl, beispielsweise in den Morgenstunden, unter flachem Winkel auf die Abdeckung nach Fig.l, so wird dieser durch die schräg stehende Eintrittsfläche mit geringen Verlusten in das Material der Abdeckung eingekoppelt. An der gegenüberliegenden, planen Grenzfläche tritt jedoch Totalreflexion auf. Somit wird der Lichtstrahl um 90° abgelenkt und verlässt die Abdeckung durch deren Oberseite. Somit steht auf der eigentlichen Kollektoroberfläche keine Strahlung zur Energiegewinnung zur Verfügung. Stattdessen wirkt die transparente Abdeckung als Spiegel, welcher störende Reflektionen auf Nachbargebäuden hervorrufen kann. Bei senkrechtem Einfall zur Mittagszeit treffen die Lichtstrahlen senkrecht auf die transparente Abdeckung auf. Die schräg stehende Grenzfläche führt zu einem Ablenken des Lichtstrahls durch Brechung. Der nunmehr schräg auf die untere Grenzfläche auftreffende Lichtstrahl wird nochmals in die Gegenrichtung gebrochen. Die Durchlässigkeit der Abdeckung ist in dieser Situation hoch. Somit wird ein Kollektor, welcher mit einer Abdeckung nach Fig.l ausgestattet ist, nur um die Mittagszeit herum zur Energiegewinnung nutzbar sein. Aufgrund des Überangebotes an Wärmestrahlung in diesem Zeitraum treten leicht Überhitzungsprobleme auf, welchen beispielsweise durch eine Verringerung der Kollektorfläche begegnet werden kann. Somit wird an trüberen Tagen oder in der kalten Jahreszeit der Ertrag weiter gemindert.
In Fig.2 ist die gleiche Situation anhand der erfindungsgemäßen Abdeckung dargestellt. Auch in diesem Fall werden schräg auf die Oberfläche der Abdeckung eintreffende Lichtstrahlen durch die schräg stehende Grenzfläche effektiv in das Material der Abdeckung eingekoppelt. Die innerhalb des Materials geradlinig weiterlaufenden Strahlen treffen an der unteren Grenzfläche wiederum auf eine im entsprechenden Winkel schräg stehende Grenzfläche und können die Abdeckung ohne weitere Reflexionsverluste verlassen. Somit steht bereits sehr früh am Tag Nutzenergie zur Verfügung.
Bei senkrechtem bzw. nah-senkrechtem Lichteinfall ergibt sich die in Fig.2 auf der rechten Seite dargestellte Situation. In diesem Fall werden die Lichtstrahlen wiederum an der schräg stehenden Grenzfläche gebrochen. Je nach Ort des Eintreffens wird ein Teil der Lichtstrahlen an der unteren Grenzfläche wiederum durch Brechung in die Einfallsrichtung zurückgelenkt. Dieser Anteil der eintreffenden Strahlung steht dann zur Wärmegewinnung zur Verfügung. Sofern der innerhalb der Abdeckung laufende Lichtstrahl jedoch auf die rechtwinkelig zur Einfalls- Grenzfläche stehende Austrittsfläche trifft, wird dieser an der ersten Grenzfläche total reflektiert und verlässt die Abdeckung unter sehr flachem Winkel durch die benachbarte Grenzfläche. Dieser Anteil der auftreffenden Strahlung ist demnach für die Energiegewinnung verloren.
Die in Fig.2 dargestellte, beidseitig strukturierte Abdeckung gestattet demnach wunschgemäss die vollständige Nutzung der schräg eintreffenden Strahlung. Die zur Mittagszeit im Übermaß aus senkrechten Richtungen auf den Kollektor einstrahlende Lichtmenge wird jedoch nur teilweise transmittiert und zu einem anderen Teil seitlich aus dem Kollektor herausgeleitet. Somit werden Überhitzungsprobleme zuverlässig verhindert.
In den Fig.3 bis 6 werden verschiedene Ausführungsformen der Strukturierung gezeigt. Fig. 3 zeigt eine beidseitige Dreiecksstruktur. Bei dieser Struktur bleibt die Dicke der Abdeckung konstant, da die Erhebungen auf der einen Seite gegenüber Vertiefungen auf der anderen Seite liegen. Bei der Dreiecksstruktur nach Fig. 4 ergibt sich eine längs der Fläche unterschiedliche Dicke der Abdeckungen, da sich die Erhebungen und Vertiefungen jeweils gegenüberstehen. Fig. 5 und 6 zeigen jeweils beidseitige Sinusstrukturen. Bei der in Fig. 5 gezeigten Struktur stehen die Erhebungen auf der einen Seite Vertiefungen auf der anderen Seite gegenüber. Damit ergibt sich eine gleichmäßige Dicke der Abdeckung. Im Gegensatz dazu hat die Abdeckung mit der in Fig. 6 abgebildeten Struktur eine längs der Fläche unterschiedliche Dicke, da den Erhebungen auf der einen Seite Vertiefungen auf der anderen Seite gegenüberstehen. Natürlich sind auch Anordnungen möglich, in denen die Strukturen der gegenüberliegenden Seiten weder exakt parallel noch exakt versetzt laufen, wie z.B. Strukturen mit unterschiedlichen Perioden, gegeneinander verdrehte Strukturen oder Strukturen mit einem Versatz, der nicht einem Vielfachen der halben Periode entspricht.

Claims

Patentansprüche
1. Solarkollektor mit einem Absorbermaterial und einer zumindest in Einstrahlrichtung angebrachten, zumindest teilweise transluzenten Abdeckung, welche sowohl auf der dem Absorber zugewandten Seite als auch auf der gegenüberliegenden Seite eine Strukturierung mit Strukturelementen, deren Abmessungen groß im Vergleich zur Wellenlänge des sichtbaren Lichts sind, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung so ausgebildet ist, dass sie keine Konzentration von auf die Abdeckung auftreffender Strahlung bewirkt.
2. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung aus Glas besteht
3. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung eine transparente oder transluzente Folie enthält
4. Solarkollektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung aus zwei einseitig strukturierten Elementen aufgebaut ist, die an den Seiten ohne Strukturierung verbunden sind.
5. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung durch Walzen erhältlich ist.
6. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung zumindest einseitig in einer Dimension translations¬ invariant ist.
7. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung zumindest einseitig in zwei Dimensionen ausgeführt ist.
8. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung mehrere Prismen umfasst.
9. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung eine Wellenstruktur umfasst.
10. Solarkollektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenstruktur eine Sinusform aufweist.
11. Verwendung eines Solarkollektors nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Brauchwassererwärmung.
12. Verwendung eines Solarkollektors nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Gewinnung von Heizenergie.
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