DE102007020230A1

DE102007020230A1 - Solarkollektor

Info

Publication number: DE102007020230A1
Application number: DE102007020230A
Authority: DE
Inventors: Tim Petrik
Original assignee: Petrik Tim Dipl-Ing
Current assignee: Petrik Tim Dipl-Ing
Priority date: 2007-04-23
Filing date: 2007-04-23
Publication date: 2008-10-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Solarkollektor mit wenigstens einem wenigstens einen Hohlraum ausbildenden Aufnahmebehälter für ein Wärmeträgermedium, wobei der wenigstens eine Aufnahmebehälter über einen Vorlauf und einen Rücklauf mit einer Wärmesenke in einem geschlossenen Kreislauf verbindbar ist oder verbunden ist. Es ist vorgesehen, dass zumindest die einer Solarquelle zugewandte Begrenzung (16) des wenigstens einen Hohlraumes (14) aus einem für die Solarstrahlung (a) transparenten Material besteht und das Wärmeträgermedium (26) eine hohe Wärmeabsorptionsfähigkeit besitzende Flüssigkeit oder eine hohe Wärmeabsorptionsfähigkeit besitzende, Partikel aufweisende Flüssigkeit ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Solarkollektor mit wenigstens einem, wenigstens einen Hohlraum ausbildenden Aufnahmebehälter für ein Wärmeträgermedium, wobei der wenigstens eine Aufnahmebehälter über einen Vorlauf und einen Rücklauf mit einer Wärmesenke in einem geschlossenen Kreislauf verbindbar ist.
Solarkollektoren der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Diese wandeln Strahlungsenergie der Sonne in Wärme um und übertragen diese auf ein Wärmeträgermedium. Dies geschieht gemäß dem Stand der Technik in zwei Schritten. Zunächst wandelt ein mit einer strahlungsselektiven Beschichtung versehenes Material, üblicherweise ein Metall, den Infrarotbereich der eintreffenden Strahlung in Wärme um. Diese Wärme wird anschließend entweder direkt auf das Wärmeträgermedium übertragen oder wird zunächst an ein Rohrsystem oder dergleichen abgegeben, in dem das Wärmeträgermedium zirkuliert und dabei erwärmt wird. Nachteilig bei diesen bekannten Lösungen ist vor allem der hohe, spezifische Materialbedarf und das hohe spezifische Gewicht. Derartige bekannte Solarkollektoren sind beispielsweise in DE 31 34 865 A1 , DE 27 00 714 A1 , DE 35 372 23 A1 , DE 26 46 174 A1 , US 4,790,293 und DE 90 27 94 beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Solarkollektor der gattungsgemäßen Art zu schaffen, der sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet, einen hohen Wirkungsgrad besitzt und flexibel einsetzbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Solarkollektor mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass zumindest die einer Wärmequelle zugewandte Begrenzung des wenigstens einen Hohlraumes aus einem für die Solarstrahlung transparenten Material besteht und das Wärmeträgermedium eine hohe Wärmeabsorptionsfähigkeit besitzende Flüssigkeit oder eine hohe Wärmeabsorptionsfähigkeit besitzende, Partikel aufweisende Flüssigkeit ist, ist es vorteilhaft möglich, die Strahlungsenergie der Wärmequelle, in der Regel der Sonne, direkt durch das Wärmeträgermedium aufnehmen zu lassen. Eine vorhergehende Wärmeabsorption durch ein das Wärmeträgermedium umgebende Leitungssystem oder mit dem Leitungssystem verbundene Strahlungsflächen und anschließende Wärmeleitung in das Wärmeträgermedium wird so vermieden. Durch diese, quasi direkte Erwärmung des Wärmeträgermediums lässt sich ein sehr viel einfacherer, leichterer und flexiblerer Aufbau des Solarkollektors erzielen. Durch entsprechende Auswahl der die hohe War meabsorptionsfähigkeit besitzenden Flüssigkeit beziehungsweise der in dieser enthaltenen Partikel mit hoher Wärmeabsorptionsfähigkeit lässt sich ein optimal auf die tatsächlichen Gegebenheiten angepasster Solarkollektor schaffen.
Das für die Wärmestrahlung transparente Material der der Wärmequelle zugewandten Begrenzung des wenigstens eines Hohlraumes ist vorzugsweise ein Kunststoff und/oder ein Glas oder dergleichen. Hierdurch lässt sich insbesondere neben einer Gewichtsreduktion die für den erfindungsgemäßen Solarkollektor wichtige Eigenschaft des für Solarstrahlung transparenten Materials erzielen.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die der Wärmequelle abgewandte Begrenzung des wenigstens einen Hohlraumes des Aufnahmebehälters eine für die Wärmestrahlung reflektierende Beschichtung umfasst. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass die das Wärmeträgermedium durchdringende Wärmestrahlung, die von dem Wärmeträgermedium noch nicht absorbiert wurde, durch die reflektierende Beschichtung in das Wärmeträgermedium zurück reflektiert wird und dann absorbiert werden kann. Hierdurch lässt sich der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Solarkollektors weiter erhöhen.
Die reflektierende Beschichtung kann in weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung innerhalb oder außerhalb des das Wärmeträgermedium aufnehmenden Hohlraumes angeordnet werden. Darüber hinaus ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Beschichtung in die Begrenzung des Hohlraumes integriert ist. Je nach gewählter Ausführungsform lässt sich die reflektierende Beschichtung so in einfacher Weise auf die Begrenzung durch geeignete Verfahren, beispielsweise Aufdampfen oder dergleichen, aufbringen oder sehr geschützt, bei Integration in die Begrenzung, anordnen. Die reflektierende Beschichtung ermöglicht zusätzlich bei einem Betrieb des Solarkollektors ohne Wärmeträgermedium, dieses ist abgelassen oder in einen separaten Vorratsbehälter umgepumpt, einen Betriebsmodus des Solarkollektors, bei welchem keine Wärme erzeugt wird, sondern die auftreffende Wärmestrahlung zu großen Teilen reflektiert wird. Hierdurch ergibt sich ein guter Isolationseffekt, beispielsweise bei mit den erfindungsgemäßen Solarkollektoren ausgestatteten Gebäuden oder dergleichen.
Zur Reduzierung von Rückständen des Wärmeträgermediums im Hohlraum beim Ablassen des Wärmeträgermediums kann die innere Begrenzung des Hohlraumes mit einer Benetzung reduzierenden Oberfläche versehen sein.
Darüber hinaus ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die reflektierende Beschichtung Photovoltaikelemente umfasst. Hierdurch wird vorteilhaft möglich, bei sich nicht im Absorptionsmodus befindlichem Solarkollektor die Strahlungsenergie der Sonne in an sich bekannter Weise mittels Photovoltaikelemente in elektrische Energie umzuwandeln. Insgesamt ergibt sich somit ein sehr flexibel einsetzbarer Solarkollektor, der neben der Erzeugung von Wärmeenergie, beispielsweise zu Heizzwecken oder zur Brauchwassererwärmung, neben den Isolationseigenschaften auch zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt werden kann.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Solarkollektor;
2 eine schematische Schnittdarstellung durch den Solarkollektor im Absorptionsmodus und
3 eine schematische Schnittdarstellung durch den Solarkollektor im Reflexionsmodus.
1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen insgesamt mit 10 bezeichneten Solarkollektor. Der Solarkollektor 10 umfasst einen Aufnahmebehälter 12 zur Aufnahme eines in 1 nicht dargestellten Wärmeträgermediums. Der Aufnahmebehälter 12 bildet wenigstens einen Hohlraum 14 zwischen einer in der Papierebene sichtbaren, oberen Begrenzung 16 und einer in der Papierebene nicht sichtbaren, unter der Begrenzung 16 angeordneten Begrenzung 18 aus. Innerhalb dieses wenigstens einen Hohlraumes zirkuliert das Wärmeträgermedium entsprechend der dargestellten Pfeile 20 von einem Vorlauf 22 zu einem Rücklauf 24. Der Vorlauf 22 und der Rücklauf 24 sind mit einer nicht dargestellten Wärmesenke, beispielsweise einem Wärmetauscher zur Brauch- und/oder Heizwassererwärmung, verbunden. In dem sich ergebenden Kreislauf kann zusätzlich auch eine, ebenfalls nicht dargestellte Fördereinrichtung, beispielsweise eine Pumpe, angeordnet sein.
Gemäß der in 1 dargestellten Draufsicht ist der Solarkollektor 10 im Wesentlichen rechteckig ausgebildet. Die Größe und die Form des Solarkollektors 10 können jedoch variieren und an die tatsächlichen Einbaugegebenheiten angepasst sein. So sind selbstverständlich auch andere Formen, beispielsweise trapezförmig und/oder dergleichen denkbar. Zur Stabilitätserhöhung kann vorgesehen sein, dass zwischen der Begrenzung 16 und der Begrenzung 18 einzelne Stege angeordnet sind, die letztendlich zur Ausbildung von mehreren benachbarten, das heißt parallelen Hohlräumen führen, durch die das Wärmeträgermedium 26 zirkuliert.
2 zeigt eine Schnittdarstellung durch den Solarkollektor 10. Gleiche Teile wie in 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert.
In der Schnittdarstellung wird die Ausbildung des wenigstens einen Hohlraumes 14 zwischen der Begrenzung 16 und der Begrenzung 18 des Aufnahmebehälters 12 deutlich. Der Hohlraum 14 steht in Fluidverbindung mit dem Vorlauf 22 und dem Rücklauf 24. Innerhalb des Hohlraums 14 befindet sich das Wärmeträgermedium 26. Das Wärmeträgermedium 26 ist eine Flüssigkeit, die eine hohe Wärmeabsorptionsfähigkeit besitzt. Die Flüssigkeit kann auch schematisch angedeutete Partikel 28 mit hoher Wärmeabsorptionsfähigkeit umfassen. Im einfachsten Fall besteht das Wärmeträgermedium 26 aus schwarz eingefärbtem Wasser. Das Material des Aufnahmebehälters 12 besteht beispielsweise aus einem optisch-transparenten Kunststoff beziehungsweise einem Glas. Die Transparenz bezieht sich hierbei insbesondere auf eine von einer Wärmequelle, beispielsweise der Sonne, ausgehende Strahlung.
Die der Wärmequelle abgewandte Seite, das heißt die Begrenzung 18, ist mit einer für die Wärmestrahlung reflektierenden Beschichtung 30 versehen. Die Beschichtung 30 ist in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel von außen auf die Begrenzung 18 aufgebracht, beispielsweise aufgedampft oder dergleichen, worden. Nach weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann die Beschichtung 30 auch an der Innenseite, das heißt innerhalb des Hohlraumes 14 auf die Begrenzung 18 aufgebracht sein. Darüber hinaus ist denkbar, die Beschichtung 30 in die Begrenzung 18 zu integrieren.
Der in 1 und 2 dargestellte Solarkollektor 10 zeigt folgende Funktionen:
Während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs des Solarkollektors 10 wirkt eine Solarstrahlung a, die von der natürlichen Wärmestrahlung (der Sonne) ausgeht, auf den Solarkollektor 10 ein. Die Solarstrahlung a durchdringt hierbei die der Wärmequelle zugewandte Begrenzung, da diese für die Solarstrahlung a im Wesentlichen transparent ist. Die Solarstrahlung a trifft auf das Wärmeträgermedium 26, das eine hohe Wärmeabsorptionsfähigkeit besitzt. Die Wärmestrahlung wird hierbei in Wärme umgewandelt, das heißt, das Wärmeträgermedium 26 erwärmt sich um einen bestimmten Temperaturbetrag ΔT. Durch die in 1 verdeutlichte Zirkulation des Wärmeträgermediums 26 wird die aufgenommene Wärmemenge durch das Wärmeträgermedium 26 zu der Wärmesenke, beispielsweise einem Wärmetauscher, transportiert. Durch die gefundene Anordnung wird erreicht, dass die Solarstrahlung a unmittelbar auf das Wärmeträgermedium 26 wirkt. Es findet zunächst nicht eine Erwärmung des Materials des Solarkollektors 10 selber statt, von dem dann mittels Wärmeleitung die Wärme auf das Wärmeträgermedium zu übertragen wäre, sondern dieses wird direkt erwärmt. Eventuell durch das Wärmeträgermedium 26 hindurchtretende Wärmestrahlung b, das heißt, diese wird nicht unmittelbar innerhalb des Wärmeträgermediums 26 absorbiert, wird über die reflektierende Beschichtung 30 in das Wärmeträgermedium 26 zurück reflektiert und trägt dann zu einer weiteren Erwärmung des Wärmeträgermediums 26 bei. Die von der Wärmequelle (die Sonne) ausgehende Wärmestrahlung kann somit durch den erfindungsgemäßen Solarkollektor mit hohem Wirkungsgrad effektiv absorbiert werden und als Nutzwärme einer Wärmesenke zur Verfügung gestellt werden. 2 stellt somit den Absorptionsmodus des Solarkollektors 10 dar.
In 3 ist der Solarkollektor 10 in seinem so genannten Reflexionsmodus dargestellt. Gleiche Teile sind wiederum mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht nochmals erläutert.
Der Reflexionsmodus zeichnet sich dadurch aus, dass innerhalb des Hohlraums 14 das Wärmeträgermedium 26 nicht vorhanden ist. Dies ist beispielsweise abgelassen oder durch eine geeignete Fördereinrichtung in ein separates Vorratsreservoir umgepumpt. In diesem Fall tritt die Wärmestrahlung c der Sonne durch die für die Wärmestrahlung transparenten Abdeckungen 16 und 18 hindurch und trifft auf die reflektierende Beschichtung 30. Von dieser wird die Wärmestrahlung reflektiert. Hierdurch wird erreicht, dass ein Gebäude, auf dem der Solarkollektor 10 montiert ist, durch die reflektierte Wärmestrahlung c einer nicht so starken Erwärmung unterzogen wird. Es lassen sich beispielsweise Kühlmaßnahmen für das Gebäude reduzieren oder einsparen. Nach einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsvariante, kann die Beschichtung 30 neben den reflektierenden Eigenschaften für die Wärmestrahlung auch Photovoltaikelemente umfassen beziehungsweise aus diesen bestehen. So lässt sich gegebenenfalls im Absorptionsmodus – wie in 2 dargestellt – in jedem Fall aber im Reflexionsmodus – wie in 3 dargestellt – zusätzlich mittels der Beschichtung 30 elektrische Energie erzeugen. Diese kann dann beispielsweise in ein Versorgungsnetz eines mit den Solarkollektoren 10 ausgestatteten Gebäudes eingespeist werden.
Die Solarkollektoren 10 sind modular aufgebaut, das heißt, es können auch mehrere Solarkollektoren 10 durch Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung zu einer größeren Solaranlage zusammengesetzt werden. Entsprechend der dann zur Verfügung stehenden Wirkfläche der miteinander gekoppelten Solarkollektoren 10 lässt sich die gewünschte zu erzielende Wärmemenge einstellen.

10: Solarkollektor
12: Aufnahmebehälter
14: Hohlraum
16, 18: Begrenzung
20: Pfeil
22: Vorlauf
24: Rücklauf
26: Wärmeträgermedium
28: Partikel
30: Beschichtung
a: Solarstrahlung
b: Wärmestrahlung
c: reflektierte Wärmestrahlung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3134865 A1 [0002]
- DE 2700714 A1 [0002]
- DE 3537223 A1 [0002]
- DE 2646174 A1 [0002]
- US 4790293 [0002]
- DE 902794 [0002]

Claims

Solarkollektor mit wenigstens einem, wenigstens einen Hohlraum ausbildenden Aufnahmebehälter für ein Wärmeträgermedium, wobei der wenigstens eine Aufnahmebehälter über einen Vorlauf und einen Rücklauf mit einer Wärmesenke in einem geschlossenen Kreislauf verbindbar ist oder verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die einer Solarquelle zugewandte Begrenzung (16) des wenigstens einen Hohlraumes (14) aus einem für die Solarstrahlung (a) transparenten Material besteht und das Wärmeträgermedium (26) eine hohe Wärmeabsorptionsfähigkeit besitzende Flüssigkeit oder eine hohe Wärmeabsorptionsfähigkeit besitzende, Partikel aufweisende Flüssigkeit ist.
Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Solarquelle abgewandte Begrenzung (18) des wenigstens einen Hohlraums (14) des Aufnahmebehälters (12) eine für die Wärmestrahlung (b, c) reflektierende Beschichtung (30) umfasst.
Solarkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (30) innerhalb des wenigstens einen Hohlraums (14) angeordnet ist.
Solarkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (30) außerhalb des Hohlraumes (14) angeordnet ist.
Solarkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (30) in die Begrenzung (18) integriert ist.
Solarkollektor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (30) Photovoltaikelemente umfasst.
Solarkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmebehälter (12) aus Kunststoff und/oder Glas besteht.
Solarkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium (26) eine schwarz eingefärbte Flüssigkeit ist.
Solarkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Begrenzung des wenigstens einen Hohlraumes (14) mit einer die Benetzung durch das Wärmeträgermedium (26) reduzierenden Oberfläche versehen ist.