DE19528361C1

DE19528361C1 - Ultraleicht - Solar - Wärmekollektor

Info

Publication number: DE19528361C1
Application number: DE19528361A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr Kaps; Michael Dipl Ch Schellenberger; Karlheinz Koch; Peter Dr Moeckel; Richard Kraetzer
Original assignee: Sika Werke GmbH
Current assignee: Sika Werke GmbH
Priority date: 1995-08-02
Filing date: 1995-08-02
Publication date: 1996-11-14
Anticipated expiration: 2015-08-03

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung dient der Nutzung von Sonnenenergie in Form der Erwärmung von Luft oder Wasser zum Einbau in Wärme- oder Kälteerzeugeranlagen bei garantiert minimalem Einbauaufwand und optimalem Handling, auch für den Nichtfachmann problemlos anwendbar.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die thermische Nutzung der Sonnenenergie nimmt inzwischen einen festen Platz als alternative Methode zur Energiegewinnung ein. Sowohl im Hochtemperaturbereich von über 250°C als auch im Niedertemperaturbereich gibt es bereits kommerzielle Anlagen mit einem breiten Anwendungsgebiet. Unter den bekannten Anwendungen zur Wärmeerzeugung haben sich überwiegend Flachkollektoren durchgesetzt. Über 500 industrielle Anbieter gibt es allein in Deutschland. Der charakteristische Aufbau dieser Flachkollektoren besteht in einer Absorberfläche für den Infrarotbereich der Sonnenstrahlung. Diese Absorberflächen sind vorwiegend aus Kupfer oder Aluminium, welche mit Chromoxid, Kupferoxid, Nickel- und Kobaltoxiden u. a. belegt sind. Diese Oxide können galvanisch durch Abschneiden der Metalle und anschließender anodischer Oxidation aufgebracht werden. Auch durch Sputtern, Spritzen oder Walzenauftrag kann ein geeignetes Pigment auf die Trägerfolie aufgebracht werden. Dunkle Pigmente oder Farbstoffe sind ebenfalls geeignet, insbesondere Kohlenstoff als Ruß oder Graphit finden Verwendung. So eingefärbtes Polypropylen findet neben anderen Kunststoffen ebenfalls Einsatz. Der Anteil der absorbierten Strahlung soll hoch und der durchgelassene und reflektierte Betrag niedrig sein. Ein unter dem Absorber angebrachtes Rohr aus Kupfer oder Aluminium, Edelstahl wird mit gutem Wärmeübergang verschweißt, geklebt oder gelötet und dient dem Transport der Wärmeträger Flüssigkeit oder Luft in einem geschlossenen oder offenen Solarwärmekreislauf. Damit der abstrahlende Wärmeanteil im System verbleibt, wird die Anordnung noch mit einer Glas- oder Kunststoffplatte abgedeckt, auch eine transparente Wärmedämmung wird beschrieben. Der kurzwellige Infrarotanteil wird von außen durchgelassen, der längerwellige im Inneren des Kollektors entstehende Anteil zurückgehalten. Dieses ganze solarthermische System befindet sich in einem Gehäuse, in welchem auch die Zu-und Ableitungsstutzen für den Solarkreislauf angebracht sind. Der Kollektor wird zu den Seiten und nach hinten thermisch isoliert. Meist werden Schaumpolyurethan, Steinwolle und nachwachsende biologische Materialien verwendet. Handelsübliche Kollektoren weisen auf Grund der eingesetzten massiven Bauteile auf Metallbasis ein Gewicht von 20-80 kg/m² auf, was ihren Einsatz sehr erschwert und das Preis- Leistungsverhältnis ungünstig beeinflußt. Beschrieben werden solcherart Kollektoren auf Basis von Metall- und Kunststoffabsorbern in den Patentschriften DE 31 34 865 A1, DE 27 00 714 A1, US 4790293, BE 902794, DE 35 37 223 A1 und DE 26 46 174 A1. Den Kollektoren haftet auf Grund ihres hohen Gewichtes neben dem dadurch bedingt hohen Preis der erhebliche Nachteil an, daß ihre Installation einen hohen Aufwand erfordert, da die Konstruktionen auf Basis von Metall - speziell bei Einsatz von Kupfer - selbst bei schon angebotenen Leichtbautypen noch immer weit über den für die gewünschten Nutzeffekte erforderlichen konstruktiven Möglichkeiten ausgelegt sind.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung war es, eine Bauweise - weitgehend unter Einsatz von Kunststoffen kombiniert mit extrem minimierten Metallanteilen unter Beibehaltung der angestrebten energetischen Ausbeute - zu finden, welche zum einen eine wesentliche Preisminderung und zum anderen ein Gewicht von kleiner 12 kg/m² garantieren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Sonnenkollektor zu konstruieren, dessen Bauweise bei gleicher Energieausbeute und gleicher Gebrauchsdauer sowie Einsetzbarkeit und wesentlich erleichterter Handhabbarkeit in der Montage, eine extrem leichte Ausführung zuläßt. Wie nun überraschenderweise gefunden werden konnte, erbringt eine 0,017 mm - max. 0,035 mm - Kupferfolie, welche mit Metalloxid - vorzugsweise Chromdioxid - eingemischt in geeignete Lacke eine gleiche hohe Energieausbeute wie die aufwendig elektrolytisch oxidierten Kupferbleche mit 10-20 fach höherem Gewicht. Insbesondere an den Wärmeübergangsflächen zur zirkulierenden Luft oder beim Ankleben mit geeigneten Klebern an Kupferschlangen zeigen sich keinerlei Nachteile, wenn die Wärmekapazität der Absorberschicht so stark reduziert wird und sich nur auf den schnellen und direkten Wärmetransport reduziert. Dieser wärmekapazitive Nachteil ermöglicht es andererseits, auf thermoplastische Kunststoffe in den inneren Bauteilen und dem Gehäuse zurückzugreifen, welche aus Polystyren für Luftleitkanäle und Acrylnitrilbutadienstyren oder ähnlichen tiefziehfähigen Thermoplasten aufgebaut werden können, wodurch die Wärme schnell abgeführt wird und auch bei Ausfällen der Pumpen oder Gebläse keine extremen Überhitzungen verursachen kann. Durch Einsatz dünnwandiger Kupferschlangen mit max. 10 mm Durchinesser, im Fall der Erwärmung von Wasser, werden diese mittels gut wärmeleitender Klebstoffe mit der Absorberfolie verbunden und dabei gleich hohe Wärmeübergangswerte erzielt, wie bei fest verlöteten Vergleichsabsorbern in herkömmlicher Bauart.

Der Verschluß der Kammern bzw. Gehäuse zum Schutz gegen Wärmeverlust und Bewitterung erfolgt ebenfalls nicht mit üblicherweise verwendeten Solargläsern, sondern mit extrem leichten doppelwandigen Polycarbonatplatten, welche UV-oberflächenstabilisiert sind und die Eigenschaft besitzen, die längerwelligen reflektierenden IR-Strahlen zurückzuhalten.

Die mit dieser Bauweise erzielte Gewichtseinsparung ist gegenüber gleichgroßen Kollektoren konventioneller Bauart so erheblich, daß das Gewicht pro m² unter 15 kg/m² reduziert werden kann, ohne einen energetischen Nachteil in Kauf zu nehmen und preisliche Reduzierungen um bis zu 80% gegenüber im Markt befindlichen Geräten erreicht werden.

Anwendbarkeit der Erfindung

Die Kollektoren zur Gewinnung von warmer Luft oder Warmwasser können auf Dächern oder auf ebener Erde installiert, zur Erwärmung von Räumen, zur Speisung von Kälteabsorberanlagen, zur Trocknung von Gewächsen, für die Aufheizung von Brauchwasser, Badebecken, Trockenprozessen in Industrieanlagen, generell überall, wo auch bisher Sonnenkollektoren im Einsatz sind, genutzt werden. Als neu wird der Einsatz in Dünnschichtdestillationsapparaten vorgeschlagen, da die billige Bauart, eine Alternativvariante mit saugfähigem Filtereinsatz im Kollektor zum Ansaugen der zu destillierenden Medien erlaubt und sich gegenüber üblichen Destillationsverfahren ökonomisch sinnvoll gestalten läßt.

Vorteile gegenüber dem Stand der Technik

Der große Vorteil welchen der Leichtkollektor bietet, ist vorrangig sein niedriger Preis, welcher zum einen fertigungstechnisch bedingt ist und zum anderen aus der großen Materialersparnis speziell an kostenintensiven Halbedelmetall resultiert. Die Einsparungen können im Vergleich zu marktüblichen Kollektoren zwischen 80 und 50% betragen. Ein weiterer Vorteil ist die Kostenersparnis beim Transport und der Installation, welche zum Teil derzeit bei gleicher Energieausbeute ohne aufwendige Technik wie Kran und Aufzug nicht bewerkstelligt werden kann. Im erfindungsgemäß beanspruchten Fall kann das Gerät von Hand antransportiert und auf Dächern montiert werden, ohne daß Hilfs- und Hebezeugmittel verwendet werden müssen. Die Anwendung der Kollektoren auf Dächern erfolgt nach den Montagemöglichkeiten von Dachfenstern, an welche die Kollektorkonstruktion mittels der tiefgezogenen Kunststoffschale angepaßt werden kann.

Ausführungsbeispiele

Zwei Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen Fig. 1 und 2 dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Beispiel 1

Solarwärmekollektoren in Ultraleichtbauweise

Bei bekannten Solarwärmekollektoren wird die gesamte Baugruppe inclusive des inneren Aufbaues aus Leichtmetall vorzugsweise Aluminium oder Kupfer aufgebaut, was ein sehr hohes Gewicht bedingt. Selbst bei den sogenannten Leichtkollektoren sind Gewichte von < 20 kg/m² auf Grund der eingesetzten Absorberflächen und Gehäuse unvermeidbar. Der patentgemäß beschriebene Kollektor soll durch Einsatz gleichwirksamer aber extrem leichter Materialkomponenten zum einen den Preis reduzieren und zum anderen das Gewicht auf 10-12 kg/m² minimieren.

Der Aufbau des Solarkollektors gemäß Fig. 1 erfolgt auf Basis einer tiefgezogenen thermoplastischen Kunststoffschale (3), in welche eine 0,2-0,5 mm dicke AL-beschichtete Glasfasergewebe-Hitzeschutzfolie in selbstklebender Ausführung (6) am Boden als wärmereflektierende Schutzfolie aufgeklebt wird.

Oberhalb der Hitzeschutzfolie befindet sich im Abstand von 2-3 cm auf einem Steg (4) klebend oder über Klemmleisten befestigt eine 17-30 µm dicke mit Metalloxidlack beschichtete Absorberfolie (7), welche die Wärmestrahlen absorbiert und die Wärme an die darunter befindlichen Luftkammern (8) abgibt. Die erwärmte Luft wird über die eingeschraubten Stutzen (5) mittels Luftgebläsen abgesaugt. Zur Isolation und als Bewitterungsschutz wird eine doppelwandige Polycarbonatplatte (1) versehen mit einer Dichtung (2) als ausgleichende und luftdichtschließende Zwischenlage auf den Rand der Kunststoffschale (3) durch Kleben oder Schrauben befestigt.

Innerhalb der Schale befinden sich zur optimalen Wärmeabführung Luftleitstege (10) aus Polystyrene, welche die Luft zwingt, mäanderförmig die Kammer zu durchströmen, um möglichst viel Wärme aufzunehmen und gleichzeitig der Absorberfolie zusätzlichen Halt als Stützung verleiht.

Beispiel 2

Anstelle der Luftleitstege (10) aus Polystyrene gemäß Beispiel 1 wird eine Kupferrohrschlange (9) im Absorber zur Wärmeübertragung mittels Wasser fest über die Ein- und Auslaßstutzen (5) installiert.

Bezugszeichenliste

1 = Doppelwandige Polycarbonat Abdeckplatte
2 = Dichtung
3 = Kunststoffschale tiefgezogen
4 = Steg zum Halterung der Cu-Folie
5 = Ein- bzw. Auslaßstutzen
6 = AL-kaschierte Glasfaser selbstklebend
7 = Absorberfolie
8 = Luftleitkanäle
9 = Kupferrohr
10 = Luftleitstege aus Polystyrene

Claims

1. Ultraleicht-Solar-Wärmekollektor zur Gewinnung von Sonnenwärme für Heizzwecke oder Kühlaggregate, wobei der modular aufgebaute Kollektor aus einer tiefgezogenen Kunststoffschale mit eingesetzten Ein- und Ausgangsstutzen für Luft oder Wasser besteht, auf deren Boden eine strahlenreflektierende Hitzeschutzfolie auf Basis von Aluminium kaschiert gegen Glasseide befestigt ist, mit darauf installierten Luftleitstegen, welche gleichzeitig als Abstandshalter zur darüber installierten Infrarot- Absorberfolie dienen, bestehend aus einer schwarz, vorzugsweise mit Metalloxidlacken beschichteten oder elektrolytisch oxidierten Metallfolie von 0,015 bis 0,1 mm Dicke mit 2-3 cm Abstand zur unteren strahlenreflektierenden Hitzeschutzfolie und zu einer oberen Abdeckplatte bestehend aus einer doppellagigen Polycarbonatabdeckung, welche mittels Dichtung fest mit dem überstehenden Rand der Kollektorschale verbunden ist.

2. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie eine Kupferfolie ist.

3. Solarkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Abstandshalter zwischen den Folien ein rußgefüllter meanderförmig installierter Polyethylen-Schlauch oder eine Kupfer-Rohrschlange zur Wassererwärmung mit der Kupferfolie durch Klebstoff verbunden wird.

4. Solarkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor mit saugfähigen Matten, Vliesen oder Gewirken zum Einsatz als Dünnschichtdestillationsapparat ausgerüstet wird.