DE102004032091B4 - Thermischer Solarkollektor - Google Patents

Abstract

Thermischer Sonnenkollektor mit einem transparenten Deckelement und mindestens einem Absorberelement, die in einem Gehäuse gehalten sind, wobei wischen Absorberelement (2) und Gehäuserückwand (4) mindestens ein eine Konvektionsbarriere bildendes flächiges Trennelement (3) angeordnet ist, das den Raum zwischen Absorberelement (2) und Gehäuserückwand (4) in zwei ein Gas enthaltende Teilräume unterteilt, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (3) gaspermeabel ist oder einen Gasdruckausgleich zwischen den Teilräumen ermöglichende Durchbrechungen am Trennelement (3) vorhanden sind bzw. ein Spalt zwischen Trennelement (3) und Gehäuse vorhanden ist.

Description

• Die Erfindung betrifft thermische Sonnenkollektoren, die bevorzugt für die Erwärmung von Brauchwasser eingesetzt und als Dach- oder Fassadenbauelemente an Gebäuden angebracht werden können.
• Es sind verschiedene Systemlösungen für solche thermischen Kollektoren bekannt. Dabei werden solche Sonnenkollektoren als Einzelelemente hergestellt, die auch in Form von Bausätzen zu mehreren an Fassaden oder Dächern von Gebäuden angebracht werden können.
• Üblicherweise sind in einem Gehäuse eine transparente Abdeckung und ein Absorberelement fixiert gehalten. Solche Absorberelemente werden üblicherweise auch als Flachkollektoren oder in einer anderen Ausführungsform als Röhrenkollektoren bezeichnet.
• Die transparente Abdeckung dient als Wärmedämmung und soll für einen möglichst großen Teil des Wellenlängenspektrums der Sonnenstrahlung transparent sein. Sie schützt die Absorberelemente vor Verschmutzung und sorgt in einigen Fällen auch für eine gasdichte Abdichtung.
• Ein gasdichter Verschluss ist dann erforderlich, wenn innerhalb des Gehäuses ein gegenüber der Umgebungstemperatur bis hin zum nahen Vakuum reichender Unterdruck eingestellt worden ist, oder das Innere mit einem Edelgas befüllt wurde.
• Es sind aber auch solche Elemente bekannt, bei denen das Innere belüftet werden kann.
• In jedem Fall be- oder verhindert die Abdeckscheibe auch den Gasaustausch zwischen dem (heißen) Absorber und der kühleren Umgebung. Derartige konvektive Strömungsvorgänge sind außerordentlich effiziente Wärmetransportprozesse, die den Absorber kühlen und den Wirkungsgrad des Solarkollektors senken. Luftströmungen sollen daher soweit als möglich vermieden werden. Dies gilt für Vorderseite und Rückseite von Sonnenkollektoren.
• Zu beachten ist auch, dass bei einer entsprechenden Bestrahlung mit Sonnenlicht eine erhebliche Aufheizung von Sonnenkollektoren auftreten kann. Dies betrifft insbesondere Zeiträume, bei denen kein erwärmtes Brauchwasser aus dem Sonnenkollektor entnommen wird und dabei „Stillstandstemperaturen" oberhalb von 150 °C erreicht werden können. So ist es üblich, rückseitig Wärmedämm- bzw. Isolationsstoffe mit geringer Wärmeleitfähigkeit in hohen Schichtdicken (mindestens 10–20 mm) einzusetzen. Bei den bekannten Sonnenkollektoren sind dies in der Regel Mineral faserstoffe, aber auch anorganische geschäumte Werkstoffe, wie beispielsweise das so genannte Schaumglas. Wegen der hohen Maximaltemperaturen sind organische Dämm- bzw. Isolationsstoffe eher ungeeignet, da sie zum Schmelzen oder Ausgasen neigen.
• Mit einer solchen Wärmedämmung bzw. -isolation erhöht sich aber die Gesamtmasse solcher Sonnenkollektorelemente und es ist auch eine Erhöhung des Gesamtvolumens und hier insbesondere der Bautiefe solcher Sonnenkollektoren in Kauf zu nehmen. Außerdem wird Wärme durch die Isolationsstoffe hindurch abgeleitet. Die Wärmeleitung von Festkörpern ist im Normalfall höher als bei Gasen, selbst wenn es sehr poröse, schlecht wärmeleitende Materialien (Dämmstoffe) sind.
• Es sind aber auch Lösungen bekannt, bei denen Vakuumdämm- bzw. – isolationselemente eingesetzt werden. Solche Elemente weisen eine erhöhte Wirkung auf, sind aber über relativ lange Betriebszeiträume anfällig, da bei gegebenenfalls auftretenden Undichtheiten ihre Wirkung schlagartig erheblich reduziert wird.
• So ist in US 4,084,579 ein Sonnenkollektor beschrieben, der einen schützenden Schalenaufbau an der Unterseite von Absorberelementen auf weist, der zwischen Absorberelementen und einer inneren Isolierung im Gehäuse angeordnet ist.
• Die in US 5,653,222 beschriebene Lösung verwendet in einem Gehäuse Strahlungsschildelemente, die zwischen Gehäuserückwand und Absorberelementen angeordnet sind.
• Bei den aus DE 43 08 960 A1 bekannten Sonnenkollektoren soll ein kleineres innen verspiegeltes Innenge häuse zwischen Absorber und Außengehäuse eingesetzt werden.
• Aus US 4,414,958 ist der Einsatz flexibler Membranen in Sonnekollektoren bekannt, die zwischen einem Schutzglas, durch das die Sonnenstrahlung einfällt, und einem Absorber angeordnet werden sollen, um zwei voneinander getrennte Gasräume oberhalb des Absorbers zu schaffen.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung die Wärmedämmung/-Isolation thermischer Sonnenkollektoren kostengünstiger und flexibler zu erreichen.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit thermischen Sonnenkollektoren, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweisen, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
• Bei den erfindungsgemäßen thermischen Sonnenkollektoren sind wieder ein transparentes Deckelelement und mindestens ein Absorberelement, mit dem ein großer Teil der Sonnenstrahlung absorbiert werden kann, in einem Gehäuse gehalten.
• Das transparente Deckelement ist bevorzugt aus einem transparenten Werkstoff mit kratzfester Oberfläche, beispielsweise einem Glas, gegebenenfalls aber auch aus einem entsprechend beschichteten Kunststoff gebildet. Durch entsprechende Oberflächenmodifizierung kann zum einen die Kratzfestigkeit erhöht, die Reflektivität reduziert und gegebenenfalls auch das Verhalten gegenüber anhaftenden Verschmutzungen verbessert werden.
• Es können ein, aber auch mehrere Absorberelemente vorhanden sein und dabei die gesamte für Sonnenstrahlung nutzbare Fläche ausgenutzt sein. Es können aber auch mehrere Absorberelemente mit Zwischenräumen, durch die Sonnenstrahlung hindurch treten kann oder ein Absorberelement, das Durchbrechungen aufweist, durch die ebenfalls Sonnenstrahlung hindurch treten kann, eingesetzt werden.
• Erfindungsgemäß ist zwischen dem einen bzw. auch mehreren Absorberelement(en) und einer Gehäuserückwand ein flächiges Trennelement angeordnet, das eine Konvektionsbarriere bildet. Ein solches Trennelement unterteilt so den Raum zwischen Absorberelement(en) und Gehäuserückwand in zwei Teilräume, die ein Gas, beispielsweise auch Luft enthalten.
• Wie bereits angedeutet, kann so eine Behinderung von Konvektion erreicht werden, da eine ungehinderte Gasströmung/Zirkulation nur innerhalb der jeweiligen Teilräume erfolgen kann und sich bei dünnen Gasschichten möglichst gar nicht ausbildet. Der an sich bekannte Wärmedämm- bzw. -isolationseffekt von Gasspalten kann hierdurch deutlich erhöht werden kann.
• Das eine gegebenenfalls auch mehrere flächigen Trennelement(e) müssen nicht zwingend in planarer ebener Form ausgebildet sein, um eine Ver- bzw. erhebliche Behinderung von Konvektion erreichen zu können.
• So können die erfindungsgemäß einzusetzenden flächigen Trennelemente mehr oder weniger dünne Bleche oder Platten aus einem Werkstoff mit ausreichend hoher Temperaturbeständigkeit sein.
• Vorteilhaft können aber relativ dünne Folien für die Herstellung von Trennelementen eingesetzt werden, die zumindest in Grenzen flexibel verformbar sein können. So können beispielsweise Metallfolien, beispielsweise aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen für erfindungsgemäße Trennelemente eingesetzt werden. Geeignete temperaturbeständige Kunststoffe für Trennelemente sind beispielsweise Polyimide bzw. PTFE.
• Die flächigen Trennelemente sollten für die Strahlung reflektierende Eigenschaften aufweisen. Hierfür können sie aus einem entsprechend reflektierenden Stoff hergestellt oder mit einem solchen Stoff beschichtet sein.
• Es besteht aber auch die Möglichkeit Trennelemente einzusetzen, die lediglich an der Oberfläche eine erhöhte Reflektivität aufweisen, was beispielsweise durch eine entsprechende mechanische Oberflächenbearbeitung (z.B. Polieren) erreichbar ist. Die erhöhte Reflektivität sollte zumindest im Wellenlängenbereich oberhalb des sichtbaren Lichtes, also zumindest im Bereich der IR-Strahlung (z.B. bei Wellenlängen von 2 bis 30 μm) eingehalten sein.
• In den bereits anges prochenen Fällen, bei denen Absorberelemente so angeordnet oder ausgebildet sind, dass Sonnenstrahlung auch auf Bereiche hinter Absorberelementen auftreffen kann, sollte die jeweilige erhöhte Reflektivität aber auch zumindest über einen sehr großen Bereich des Sonnenlichtspektrums gesichert sein, um auch einen hohen Anteil von auf die Rückseite von Absorberelementen reflektierter Sonnenstrahlung ausnutzen zu können.
• Entsprechende erhöhte Reflejtivitäten können in an sich bekannter Weise mittels geeigneter Metalle und Metalllegierungen, aber auch mit geeigneten Oberflächenbeschichtungen, die bevorzugt als Dünnschichten oder Dünnschichtsysteme aufgebracht worden sind, erreicht werden. Solche Schichten/Schichtsysteme können aber auch eine Wellenlängen selektive Reflektivität aufweisen, so dass beispielsweise Strahlung im Bereich der IR-Strahlung reflektiert wird und sie für andere Wellenlängen transparent sind bzw. diese absorbieren.
• Da Temperaturgradienten zwischen den mit Trennelementen voneinander getrennten Teilräumen nicht vermieden werden können und diese Temperaturgradienten auch zu Gasdifferenzdrücken in den Teilräumen führen, die wiederum eine Kraftwirkung auf das jeweilige Trennelement bewirken, soll ein Gasdruckausgleich zwischen benachbarten Teilräumen ermöglicht werden. Hierfür können gaspermeable Trennelemente eingesetzt werden, die jedoch einen ausreichend hohen Strömungswiderstand zwischen den benachbarten Teilräumen für das jeweilige Gas aufweisen sollten.
• In einer weiteren Alternative können aber auch in den Trennelementen Durchbrechungen, beispielsweise eine Perforation ausgebildet sein, über die ein Gasdruckausgleich zwischen den Teilräumen erreicht werden kann.
• Es besteht aber auch die Möglichkeit einen entsprechend klein dimensionierten Spalt zwischen Trennelement und innerer Gehäusewand vorzusehen, über den ein Gasaustausch und dementsprechend auch ein Gasdruckausgleich zwischen benachbarten Teilräumen erreichbar ist.
• Solche Durchbrechungen oder auch ein Spalt sollten bevorzugt aus thermodynamischen Gründen im vertikal unteren Bereich des jeweiligen Sonnenkollektors angeordnet sein.
• Neben den bereits angesprochenen flexiblen Folien können erfindungsgemäß einzusetzende Trennelemente, aber auch als Vliese, Gewebe oder Gewirke, die aus geeigneten Fasern hergestellt worden sind, ausgebildet sein. Sie können aus Glas-, Metall- oder Keramikfasern hergestellt werden, die ausreichend temperaturresistent sind. Die Maschenweite sollte dann eine Gaspermeabilität für den bereits angesprochenen Gasdruckausgleich aufweisen, jedoch dabei einen Mindestströmungswiderstand zur Verringerung von Konvektion aufweisen.
• Bei geeigneter Faserauswahl bzw. mit in geeigneter Form erfolgter Beschichtung kann auch eine für Strahlung Wellenlängen selektive Reflektivität und gegebenenfalls auch Transparenz erreicht werden.
• Insbesondere, wenn erfindungsgemäße flächige Trenn elemente als Folien, als Gewebe oder Gewirke ausgebildet sind, ist es günstig, solche Trennelemente mit Hilfe einer Spanneinrichtung am Gehäuse zu fixieren. Dabei sollte mit Hilfe der Spanneinrichtung eine Zugkraftbeaufschlagung erreichbar sein, so dass solche an sich flexiblen Trennelemente auch bei unterschiedlichen Temperaturen und Gasdrücken in Form gehalten werden und die geometrischen Verhältnisse sich bei den unterschiedlichen Bedingungen nicht verändern. Insbesondere kann so ein unerwünschter direkter Kontakt mit der so möglichen unmittelbaren Wärmeleitung zwischen benachbarten Trennelementen bzw. Trennelement zu Absorberelement oder Gehäuserückwand vermieden werden.
• An erfindungsgemäß einzusetzenden Trennelementen können aber auch Versteifungselemente, wie beispielsweise Spanten/Rippen vorhanden sein, die die Stabilität und Festigkeit erhöhen. Dabei sollten solche Versteifungselemente an Trennelementen möglichst an der Oberfläche angeordnet sein, die in Richtung auf die Gehäuserückwand weist und möglichst klein dimensioniert sein.
• An erfindungsgemäßen Sonnenkollektoren, bei denen lediglich ein flächiges Trennelement eingesetzt worden ist, sollten möglichst unterschiedliche Gasvolumina in den Teilräumen vorhanden sein, wobei dieser Sachverhalt auch bei Sonnenkollektoren mit mehreren Trennelementen und einer entsprechend erhöhten Anzahl von Teilräumen ebenfalls sinngemäß zutrifft.
• Dies kann durch unterschiedliche Abstände zwischen Absorberelement zum Trennelement und Trennelement zur Gehäuserückwand bzw. unterschiedliche Abstände zwischen mehreren benachbarten Trennelementen erreicht werden.
• So sollte der Abstand zwischen Absorberelement und dem Trennelement kleiner als der Abstand zwischen Trennelement und Gehäuserückwand sein, wenn lediglich ein Trennelement an einem erfindungsgemäßen Sonnenkollektor vorhanden ist.
• Werden dagegen zwei oder mehrere Trennelemente in einer Reihenanordnung an einen Sonnenkollektor mit entsprechend erhöhter Anzahl von Teilräumen eingesetzt, so sollte das jeweilige Gasvolumen sukzessive in den Teilräumen, ausgehend vom Absorberelement in Richtung auf die Gehäuserückwand vergrößert sein, also sich dementsprechend der jeweilige Abstand zwischen den jeweiligen Elementen sukzessive erhöhen.
• So können die unterschiedlichen Temperaturen des Gases und Konvektionsneigungen in den Teilräumen besser berücksichtigt werden.
• Vorteilhaft ist es durch entsprechende Anordnung von Trennelementen mit kleinen Abständen zueinander und auch zu Absorberelement sowie Gehäuserückwand eine entsprechend kleine Gasspaltdicke in Teilräumen zu erreichen. So kann das/die erforderliche Sonnenkollektorvolumen/-dicke in Bezug zur erreichbaren Wärmedämmung/-isolation optimiert werden. So können bei mehreren Teilräumen, die durch Trennelemente unterteilt worden sind, bereits Gasspaltdicken von 5 mm einen deutlichen Effekt bewirken.
• Mit der erfindungsgemäßen Lösung können thermische Sonnenkollektoren kostengünstiger und leichter hergestellt werden und so zumindest eine gleichwertige Wärmedämmung bzw. Wärmeisolation im Vergleich zu her kömmlichen Lösungen erreicht werden.
• Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
• Dabei zeigt:
• 1 in stark schematisierter Form den Aufbau für ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Sonnenkollektors und
• 2 in schematischer Darstellung ein weiteres Beispiel, bei dem zwischen Absorberelement und einem Trennelement zusätzlich ein Reflektorelement angeordnet ist.
• In 1 ist ein erfindungsgemäßer Aufbau eines Beispiels für einen thermischen Sonnenkollektor in stark schematisierter Form gezeigt. Dabei wurde auf die Darstellung eines großen Teils eines Gehäuses, mit dem die einzelnen Elemente randseitig fixiert sind, verzichtet.
• So ist in einem Abstand zum transparenten Deckelement 1, das beispielsweise als Glasscheibe ausgebildet ist, hier ein Absorberelement 2 (Flachkollektor) mit einem Rohr 2a für ein Wärmetauschmedium und zu diesem wiederum in einem Abstand ein Trennelement 3 als gespannte Aluminiumfolie, die im Wesentlichen parallel zum transparenten Deckelement 1 und Absorberelement 2 ausgerichtet ist, angeordnet.
• Das Trennelement 3 ist in einem Abstand zur inneren Oberfläche der Gehäuserückwand 4 angeordnet, so dass ein erster Teilraum zwischen Absorberelement 2 und Trennelement 3 sowie ein zweiter Teilraum zwischen Trennelement 3 und Gehäuserückwand 4 ausgebildet ist. Das Trennelement 3 kann so eine Gaszirkulation zwischen diesen beiden Teilräumen zumindest behindern, wenn z.B. Möglichkeiten für einen Gasdruckausgleich zwischen den beiden Teilräumen vorgesehen sind.
• Bei dem gezeigten Beispiel ist der Abstand zwischen Absorberelement 2 und Trennelement 3 kleiner als der Abstand zwischen Trennelement 3 und Innenfläche der Gehäuserückwand 4, so dass in den jeweiligen Teilräumen unterschiedlich große Gasvolumina enthalten sind.
• Mit 2 soll ein Beispiel ebenfalls in stark schematisierter Form verdeutlicht werden, bei dem an einem Sonnenkollektor zwischen dem eigentlichen Absorberelement 2 und einem eine Konvektionsbarriere bildenden Trennelement 3 ein zusätzliches Reflektorelement 5 angeordnet ist, das in Richtung auf Absorberelement 2 konkav strukturiert ist, so dass durch das transparente Deckelelement 1 einfallende Sonnenstrahlung vom Reflektorelement 5 in Richtung auf Absorberelement 2 mit Rohren 2a, über die ein Wärmetauschermedium geführt werden kann, rückreflektiert wird. So kann ein erhöhter Anteil der Sonnenstrahlung absorbiert und für die Erwärmung eines Wärmetauschermediums genutzt werden. Die Absorber 2 bzw. in hier nicht dargestellter Form auch die Rohre 2a des Absorberelementes 2 sollten dabei bevorzugt in den Symmetrieebenen der einzelnen konkaven Strukturen des Reflektorelementes 5 angeordnet sein.
• Das die Konvektionsbarriere bildende hier eine Trennelement 3 ist in einem Abstand zum Reflektorelement 5 und auch zur Gehäuserückwand 4 angeordnet, so dass eine Wärmbrückenbildung und demzufolge auch eine direkte Wärmeleitung vermieden werden kann.
• Trennelemente 3 sollten bevorzugt flach und eben ausgebildet sein, so dass zumindest in Richtung der Gehäuserückwand 4 ein konstanter Abstand zwischen Trennelement 3 und Gehäuserückwand 4, also eine gleichmäßige Dicke eines dazwischen ausgebildeten Gasspaltes eingehalten werden kann. So können über die gesamte Fläche des Trennelementes 3 zumindest in diese eine Richtung bezüglich der Konvektion konstante Verhältnisse erreicht werden. Dieser Sachverhalt kann von entsprechend konturierten Reflektorelementen 5 nicht optimal erfüllt werden, da durch die konturierten Oberflächen die Strömungsverhältnisse und die Konvektionsbedingungen beeinflusst werden.
• Im Hinblick auf seine Funktion (Reflexion) sollte das Reflektorelement 5 mit seiner konkaven Konturierung und Positionierung die Anordnung des Absorberelementes 2 berücksichtigen und zumindest den Anteil der elektromagnetischen Strahlung im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes auf Absorberelement 2 und Rohre 2a rückreflektieren können.
• Ein solches Reflexionsverhalten ist aber bei Trennelementen 3 nicht unbedingt erforderlich, wobei jedoch eine Reflexion von elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich des infraroten Lichtes vorteilhaft sein kann.

Claims (12)

1. Thermischer Sonnenkollektor mit einem transparenten Deckelement und mindestens einem Absorberelement, die in einem Gehäuse gehalten sind, wobei wischen Absorberelement (2) und Gehäuserückwand (4) mindestens ein eine Konvektionsbarriere bildendes flächiges Trennelement (3) angeordnet ist, das den Raum zwischen Absorberelement (2) und Gehäuserückwand (4) in zwei ein Gas enthaltende Teilräume unterteilt, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (3) gaspermeabel ist oder einen Gasdruckausgleich zwischen den Teilräumen ermöglichende Durchbrechungen am Trennelement (3) vorhanden sind bzw. ein Spalt zwischen Trennelement (3) und Gehäuse vorhanden ist.
2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Trennelement (3) eine Folie ist.
3. Sonnenkollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (3) aus einem Strahlung reflektierenden Stoff gebildet, mit einem solchen Stoff beschichtet ist oder eine reflektierende Oberfläche aufweist.
4. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Durchbrechungen oder ein Spalt i m vertikal unteren Bereich des Sonnenkollektors angeordnet ist/sind.
5. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (3) ein Gewebe oder Gewirk aus Fasern ist.
6. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (3) eine Wellenlängen selektive Reflektivität aufweist.
7. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (3) mittels einer Spanneinrichtung mit einer Zugkraftbeaufschlagung am Gehäuse fixiert ist.
8. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Trennelement (3) Versteifungselemente vorhanden sind.
9. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Trennelement (3) und Absorberelement (2) kleiner als der Abstand zwischen Trennelement (3) und Gehäuserückwand (4) ist.
10. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterteilung in weitere Teilräume mehrere Trennelemente (3) in Abständen zueinander in einer Reihenanordnung vorhanden sind.
11. Sonnenkollektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände nicht äquidistant sind.
12. Sonnenkollektor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die jeweiligen Abstände der Elemente (2, 3 und 4) zueinander in Richtung auf die Gehäuserückwand (4) vergrößern.