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Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Flachkollektor, bestehend aus einem die Kollektorfläche aufspannenden Tragrahmen, an welchem eine Bodenplatte sowie eine für solare Strahlung durchlässige Abdeckplatte fixiert sind, sowie einem, von einem Wärmeträgerfluid durchströmbaren Absorber, welcher im Abstandsraum zwischen Boden- und Abdeckplatte befindlich ist, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 20 2008 001 611 U1 ist eine Vorrichtung zur solaren Energiegewinnung, insbesondere ausgebildet als Solarkollektor, vorbekannt, welche mindestens ein Absorberelement aufweist, das wenigstens einen Fluidkanal umfasst. Der Fluidkanal weist einen geknickten Strömungspfad auf. Mit der Ausbildung eines geknickten Strömungspfads soll vermieden werden, dass der Fluidkanal von einem Fluid mit einem laminaren Strömungsprofil durchströmt wird. Vielmehr soll es zu einer turbulenten Strömung im Querschnitt des Fluidkanals kommen, so dass eine optimale Fluiddurchmischung stattfindet. Damit soll die Wärmeübertragung und die Wärmeeffizienz des Solarkollektors verbessert werden.
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In einer Ausführungsform nach
DE 20 2008 001 611 U1 wird der Absorber im sogenannten Rollbond-Verfahren aus zwei verpressten, d. h. kaltverschweißten, gleich oder unterschiedlich dicken Aluminiumplatten hergestellt, die mit Kanälen versehen sind, welche wiederum mittels Anwendung von Druck aufgeweitet werden. Nach dem Zusammenfügen der Aluminiumplatten fließt in den Kanälen das Wärmeträgerfluid, wobei die Kanäle so ausgelegt sind, dass der Kollektor mit vier Anschlüssen versehen werden kann und somit über eine symmetrische Anschlussmöglichkeit verfügt. Grundsätzlich ist jedoch bei derartigen Kollektoren ein separater Sammel- oder Verteilkanal erforderlich, der durch den Kollektorrahmen anschlussseitig geführt werden muss, was einen höheren technologischen Aufwand und Abdichtprobleme nach sich zieht.
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Die
DE 20 2010 010 835 U1 lehrt einen Vollaluminiumabsorber zur Wärmeerzeugung, wobei die dortigen Sammel- und Harfenkanäle aus Aluminiumstrangpressprofilen bestehen. Bei einem sogenannten Harfenabsorber besteht selbiger aus den vorerwähnten Strangpressprofilen, wobei eine Anzahl gleicher Strangpressprofile die Harfen- und weitere Strangpressprofile die Sammelkanäle darstellen. Auch bei einem derartigen Absorber muss selbiger in einen Tragrahmen verbracht und für die notwendigen Zuführungen hinsichtlich des Wärmeträgerfluids gesorgt werden.
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Bei dem thermischen solaren Flachkollektor nach
WO 2012/093062 A2 wird von einer Konstruktion aus einem mit einem randseitig wasserdicht abgeschlossenen, mit Zu- und Ablauf versehendem Wärmeträgermediumleitungssystem ausgegangen, welches mindestens zwei der Sonne zugewandte, mit Abstand voneinander angeordnete Glasscheiben aufweist. Weiterhin ist eine der Sonne abgewandte Wärmeisolationsschicht und ein Kollektorboden vorhanden, wobei der Kollektorboden die untere Wand des Wärmeträgermediumleitungssystems und die innerste der der Sonne zugewandten Glasscheiben die obere Wand bilden. Der Kollektorboden ist in Form von Schwarzglas und die der Sonne abgewandte Wärmeisolationsschicht in Form von Schaumglas mit geschlossener Porosität mit aufeinander abgestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet. Gemäß dieser Lösung dient also eine Glasplatte aus mineralischen Rohstoffen als Absorber und zwei Glasscheiben als Abdeckung und Schaumglas als Wärmedämmstoff. Das Wärmeträgermedium fließt dabei zwischen Absorberplatte und der unteren Abdeckung. Fluidkanäle entstehen durch die Strukturierung der Absorberplatte während der Formgebung im Herstellungsprozess.
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Allen bekannten solarthermischen Kollektoren, insbesondere solchen für die sogenannte Aufdach- oder Indach-Montage ist gemein, dass diese einen steifen Tragrahmen erfordern, der mit entsprechenden Halteelementen kombiniert der Montage dient. Der Tragrahmen nimmt weiterhin alle Bestandteile des Kollektors auf. Eine üblicherweise isolierende Eigenschaften aufweisende Bodenplatte bildet die Unterseite des Kollektors. Eine für solare Energie transparente Abdeckplatte bildet die Oberseite. Im Abstandsraum zwischen Bodenplatte und Abdeckplatte werden die vorstehend kurz beschriebenen Absorber eingesetzt, die als sogenannte Kissenabsorber, aber auch als Harfenabsorber vielfältig bekannt sind. Um das Wärmeträgerfluid dem Absorber zu- und abführen zu können, sind üblicherweise im Tragrahmen Aussparungen oder Bohrungen vorhanden, um die entsprechenden Leitungsanschlüsse zu realisieren.
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Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten solarthermischen Flachkollektor anzugeben, der sowohl als luftgefüllter, aber auch als Vakuum-Kollektor realisierbar ist, wobei die Herstellung des Kollektors in einfacher Weise und mit geringerem Materialaufwand erfolgen soll. Ein Schwerpunkt der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung liegt darin, separate Sammelrohre bzw. Verteilkanäle zu vermeiden, so dass konstruktionsbedingte Strömungswiderstände reduziert und damit die Pumpleistung einer entsprechenden solarthermischen Anlage gesenkt werden kann, so dass sich insgesamt der Wirkungsgrad einer derartigen Anlage verbessert.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem solarthermischen Flachkollektor gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
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Es wird demnach von einem solarthermischen Flachkollektor, bestehend aus einem, die Kollektorfläche aufspannenden Tragrahmen ausgegangen, an welchen eine Bodenplatte sowie eine für solare Strahlung durchlässige Abdeckplatte fixiert sind. Bodenplatte und Abdeckplatte können durch Klebetechniken, d. h. stoffschlüssig, aber auch mittels Form- und/oder Kraftschluss befestigt werden. Weiterhin weist der solarthermische Flachkollektor mindestens einen, von einem Wärmeträgerfluid durchströmbaren Absorber auf, welcher im Abstandsraum zwischen Boden- und Abdeckplatte befindlich ist. Der Absorber kann hier als sogenannter Harfenabsorber, aber auch als Kissenabsorber ausgeführt sein.
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Erfindungsgemäß sind mindestens Teile oder Abschnitte des Tragrahmens als Hohlprofil ausgebildet und besitzen einen Anschluss für die Zu- und Abfuhr des Wärmeträgerfluids, wobei die diesbezüglichen Teile oder Abschnitte des Tragrahmens gleichzeitig als Sammel- oder Verteilkanal für das Wärmeträgerfluid dienen und unmittelbar zum Absorber führen.
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Gemäß der Erfindungslehre wird also dem Tragrahmen eine Doppelfunktion dergestalt zugewiesen, dass dieser für die Gesamtstabilität des Flachkollektors Sorge trägt und in der Lage ist, Bodenplatte und Abdeckplatte sicher zu fixieren, sowie weiterhin als Mittel ausgebildet ist, das aktiv das Wärmeträgerfluid aufnimmt und zum Absorber führt bzw. das erwärmte Fluid in den angeschlossenen Wärmetauscherkreislauf übergibt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Tragrahmen zur Gewährleistung der gewünschten Durchströmung gegenüberliegende Hohlprofile, die zu den jeweils benachbarten Hohlprofilen strömungsseitig entkoppelt, insbesondere verschlossen sind.
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Beispielsweise kann ein Rahmen aus U-förmigen Profilen sowie geraden Verbindungsprofilen bestehen. Die Ein- bzw. Ausströmöffnungen können an den U-förmigen, aber auch an den geraden Profilen ausgebildet sein. Eine strömungsseitige Entkoppelung ist über einen Verschlusskörper realisierbar, der auf die Innenkontur des Hohlprofils abgestimmt ist. Dieser dichtende Profilkörper kann gleichzeitig das Verbindungsmittel zum angrenzenden Profil sein und z. B. die Basis für eine stoffschlüssige oder kraftschlüssige Fixierung darstellen.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist der Tragrahmen eine Anzahl von Hohlprofilen auf, die gleich der Seitenanzahl der Kollektorflächenform ist, wobei die einzelnen Profile über Verbinder, insbesondere Eckverbinder, mechanisch fixierbar sind. Die Kollektorflächenform kann ein Quadrat, ein Rechteck, ein Polygon, aber auch ein sonstiges Vieleck sein, um vorhandene Dachflächen optimal durch entsprechende Bestückung ausnutzen zu können.
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Insbesondere zum Zweck der Ausbildung des Flachkollektors als Vakuumkollektor sind im Abstandsraum zwischen Boden- und Abdeckplatte Distanzhalter eingesetzt, die dem Durchbiegen von Boden- und Abdeckplatte entgegenwirken, so dass diese hinsichtlich ihrer Materialdicke kostengünstiger ausgelegt werden können.
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An mindestens zwei gegenüberliegenden Tragrahmen-Hohlprofilen können Zusatz- oder Halterahmenschenkel ausgebildet werden. Diese Zusatz- oder Halterahmenschenkel umgreifen bei einer Ausführungsform klammerartig die Sandwichanordnung des Tragrahmen-Hohlprofils sowie Boden- und Abdeckplatte.
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Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung erfolgt die strömungsseitige Verbindung zwischen Tragrahmen und Absorber über ein die thermische Ausdehnung kompensierendes Mittel.
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Ein solches Mittel kann beispielsweise eine Gleitringdichtung, ein abgedichteter Schiebesitz, ein Wellrohrausgleichselement, ein Mäanderbiegeelement oder Ähnliches sein, so dass bedingt durch die thermischen Ausdehnungsverhältnisse Beschädigungen der Kollektorkonstruktion ausgeschlossen sind.
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Der vorerwähnte Zusatz- oder Halterahmenschenkel kann bei einer Weiterbildung der Erfindung eine angeformte oder integrierte Rinne aufweisen, was den erfindungsgemäßen Flachkollektor für den Einsatz als sogenannte Indach-Konstruktion prädestiniert.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen:
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1 eine Explosivdarstellung der Grundkonstruktion des solarthermischen Flachkollektors mit den wesentlichsten Bestandteilen;
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2 eine Schnittdarstellung durch einen Teil des Tragrahmens mit am Tragrahmen angeschlossenen Absorberrohren und entsprechenden Detaildarstellungen;
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3 eine mögliche Ausführungsform einer Verbindungsstelle des Tragrahmens, die gleichzeitig der strömungsseitigen Entkopplung dient, um eine gewünschte Quer- bzw. Längsdurchströmung des Absorbers zu erreichen;
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4 eine Teilschnittdarstellung eines Abschnitts des Flachkollektors mit einem Absorberrohr, welches in Schiebesitz bezüglich des Strömungsverbindungsabschnitts zum Tragrahmen steht, um eine thermisch bedingte Längenausdehnung zu kompensieren;
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5 eine Teilschnittdarstellung eines Abschnitts des Flachkollektors mit erkennbarem Zusatzrahmen, welcher klammerartig die Konstruktion aus Tragrahmen sowie Bodenplatte und Abdeckplatte umgreift, und
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6 eine perspektivische Darstellung eines Vakuum-Flachkollektors gemäß der Erfindung mit Detaildarstellung bezüglich eines integrierten Stützelements, um ein unerwünschtes Durchbiegen der Bodenplatte bzw. Abdeckplatte zu verhindern.
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Bei der erfindungsgemäßen Realisierung gemäß den nachfolgenden Ausführungsbeispielen wird grundsätzlich davon ausgegangen, dass der Tragrahmen selbst als fluidführendes Gehäuse ausgebildet wird. Hier kommt beispielsweise ein Vierkantrohr oder dergleichen Hohlprofil zum Einsatz. In den Eckenbereichen können Eckverbinder vorgesehen sein. Auch sind übliche stoffschlüssige Verbindungen denkbar. Anstelle eines Vierkantrohrs können auch Rohre mit anderen Geometrien wie z. B. Sechseck-, Achteck-, Dualrohre mit Abflachung oder dergleichen eingesetzt werden.
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Ebenso ist es denkbar, den Tragrahmen als ein endlos gebogenes Rohr mit entsprechenden Verschlüssen auszuführen.
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Der Tragrahmen kann auch als mehrteiliges Gebilde mit U-förmigen Steckverbindungen realisiert werden.
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Gemäß der Darstellung nach 1 besteht der solarthermische Flachkollektor aus Tragrahmenprofilen 1 sowie einer unterseitig vorgesehenen Bodenplatte 2 und einer oberseitig vorgesehenen transparenten Abdeckplatte 3.
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Bei der Ausführung als Vakuum-Flachkollektor wird zum Verhindern einer unerwünschten Durchbiegung zwischen Bodenplatte 2 und transparenter Abdeckung 3 noch ein Distanzhalter 4 eingesetzt, der eine diesbezügliche Stabilisierung und Abstützung sichert.
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Im Inneren des Flachkollektors befindet sich ein an sich bekannter Absorber 5 mit einer Vielzahl von Absorberrohren 6.
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Erfindungsgemäß ist der Tragrahmen als Hohlprofil ausgebildet. Beim gezeigten Beispiel sind die beiden Längsseiten der Tragrahmen-Hohlprofile mit Anschlussöffnungen 7 für die Absorberrohre 6 versehen. Es dienen also die diesbezüglichen Tragrahmenteile gleichzeitig als Sammel- oder Verteilkanal für das Wärmeträgerfluid.
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Die entsprechenden Hohlprofilteile können über Eckverbinder 8 mechanisch fixiert werden. Die Eckverbinder können dabei gleichzeitig für die strömungsseitige Entkopplung sorgen.
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An mindestens zwei gegenüberliegenden Tragrahmen-Hohlprofilen, im Beispiel nach 1 am kürzeren der Hohlprofile, kann ein Zusatz- oder Halterahmenschenkel 9 vorhanden sein, der das entsprechende Tragrahmen-Hohlprofil sowie die Boden- und Abdeckplatte klammerartig umgreift. Hierfür ist im Übrigen denkbar, den betreffenden Zusatz- oder Halterahmenschenkel 9 mit einer rinnenartigen Abkantung zu versehen, so dass der Flachkollektor für die Indach-Montage besonders geeignet ist.
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Die 2 zeigt in ihrer Teilschnittdarstellung einen Abschnitt des als Hohlprofil ausgebildeten Tragrahmens 1 mit bereits angeschlossenen Absorberrohren 6 sowie einen Zu- bzw. Abfluss 10. Eine schottartige Wandung 11 im Hohlprofil des Tragrahmens 1 sorgt für die gewünschte strömungsseitige Entkopplung der Flachkollektorkonstruktion.
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Um eine Quer- bzw. Längsdurchströmung des Absorbers zu erreichen, besteht die Möglichkeit, die Hohlprofile des Tragrahmens über spezielle Eckverbinder 12 zu fixieren. Die Eckverbinder können diesbezüglich von der entsprechenden offenen Seite des Hohlprofils des Tragrahmens 1 aufgenommen werden und dort stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig befestigt sein. In diesem Fall stellt der Eckverbinder sowohl die mechanische Stabilität des Tragrahmens als auch die gewünschte strömungsseitige Entkopplung her.
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Die Teilschnittdarstellung nach 4 macht deutlich, dass beispielsweise durch Ausbildung eines Schiebesitzes 13 mit O-Ring-Abdichtung das entsprechende Solarrohr 6 im Rohrstutzen 14, der am Tragrahmen-Hohlprofil 1 vorgesehen ist, geführt wird und die thermischen Spannungen, d. h. auftretende Längsausdehnungen, in der Lage ist zu tolerieren. Anstelle der hier gezeigten Schiebesitzausbildung sind selbstverständlich auch für den Fachmann im Rahmen seines Fachwissens abwandelbare technische Lösungen einsetzbar, ohne den Grundgedanken der Erfindung bezüglich der vorgeschlagenen Konstruktion des Flachkollektors zu verlassen.
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Die Darstellung nach 5 zeigt noch einmal im Detail den Zusatz- oder Halterahmen 9, welcher die Sandwichanordnung aus Tragrahmen 1, Bodenplatte 2 und transparenter Abdeckplatte 3 umklammert und für eine sichere Verbindung an den Stellen 16 sorgt. Die Verbindung kann beispielsweise als Klebeverbindung, aber auch rein kraftschlüssig unter Zuhilfenahme einer Dichtmasse oder eines Dichtbandes ausgeführt sein.
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Die perspektivische Darstellung nach 6 zeigt den einsatzbereiten Flachkollektor mit in Längsrichtung nahezu mittig eingelegten Distanzhalter 4, der bei Ausführung als Vakuumkollektor eine Durchbiegung zwischen Bodenplatte 2 und Abdeckplatte 3 verhindert bzw. dieser Durchbiegung entgegenwirkt.
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Bezüglich des eingesetzten Absorberblechs kann ein Aluminium-Kupfer-Blech mit selektiver Beschichtung Verwendung finden. Aufgrund der optimalen Wärmedämmung im Fall der Ausführung des Kollektors als Vakuumkollektor kann auch ein dunkel eingefärbtes oder entsprechend beschichtetes Blechmaterial Verwendung finden. Bei der Ausführung des Kollektors mit einem sogenannten Kissenabsorber kann auf das Durchströmen separater Absorberrohre verzichtet werden, indem das Absorberblech beabstandet auf die untere Bodenplatte gelegt und hierbei eine Strömung zwischen Bodenplatte und Absorberblech eingestellt wird. Diesbezüglich können die Bodenplatte und das Absorberblech im Rollbondverfahren gefertigt werden und entsprechende strömungsweisende Kanäle umfassen.
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Dadurch, dass die entsprechenden Teile des Tragrahmens, ausgebildet als Hohlprofil und das Wärmeträgerfluid führend, realisiert werden, kann quasi der Anschluss für die Zu- und Abfuhr des Wärmeträgerfluids an beliebige Stellen gesetzt werden, was bei Absorbern mit üblicherweise notwendigen Sammel- oder Verteilkanälen so nicht möglich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202008001611 U1 [0002, 0003]
- DE 202010010835 U1 [0004]
- WO 2012/093062 A2 [0005]