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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur solaren Energiegewinnung,
insbesondere einen Solarkollektor, gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruchs
1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des Schutzanspruchs 15 und die Verwendung einer solchen Vorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des Schutzanspruchs 16.
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Vorrichtungen
zur solaren Energiegewinnung, wie insbesondere Solar- oder Sonnenkollektoren
sind seit geraumer Zeit bekannt und werden seit einiger Zeit genutzt,
um von der Sonne ausgehende Strahlung, kurz Sonnenenergie, in thermische
Energie umzuwandeln, wobei in aller Regel ein Übertragungsfluid, wie beispielsweise
Wasser, Öl
oder ein Gas aufgeheizt wird. Dieses Übertragungsfluid wird üblicherweise
in einem oder mehreren Fluidkanälen befördert, so
daß die
dem Fluid innewohnende thermische Energie andernorts nutzbar ist.
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Ein
zentraler Bestandteil einer solchen Vorrichtung zur solaren Energiegewinnung
und insbesondere eines Sonnenkollektors ist ein Absorberelement.
Dieses Absorberelement dient der Absorption von Energie, die in
aller Regel als von der Sonne ausgehende Strahlung zur Verfügung steht.
Dieses Absorberelement umfaßt
wenigstens einen Fluidkanal, in welchem das Übertragungsmedium, nämlich das Übertragungsfluid,
geführt
wird.
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Eine
unter energetischen Gesichtspunkten möglichst effiziente Nutzung
eines Absorberelements hängt
von zwei prinzipiellen Faktoren ab. Hierbei sind zum einen die thermi sche
Effizienz, also die Effizienz einer Wärmeübertragung auf das Fluid, als auch
eine hydraulische Leistung, nämlich
die Strömung
des Fluids in dem Fluidkanal zu nennen.
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Hinsichtlich
einer möglichst
effizienten Übertragung
von Wärme
auf das Fluid besteht ein wesentlicher Gesichtspunkt darin, einen
oder mehrere Fluidkanäle
möglichst
gleichmäßig in dem
Absorberelement anzuordnen, so daß nach Möglichkeit die gesamte der Außenseite
des Absorberelements zugeführte
Energie auf das Fluid übertragen
wird.
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In
der Vergangenheit wurde zu diesem Zweck ein Fluidkanal in einem
Absorberelement verwendet, der mäander-
oder serpentinenartig in dem Absorberelement verlief, wobei bei
dieser Variante auch mehrere Fluidkanäle seriell hintereinander angeordnet
sein konnten. Ein Nachteil dieser Bauweise besteht allerdings in
der großen
Fluidkanallänge,
die zu einem hohen Druckverlust führt.
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Zur
Lösung
dieses Problems wurden in der Vergangenheit anstelle eines langen
seriell verlaufenden Fluidkanals mehrere kurze parallele Fluidkanäle, beispielsweise
in Form von parallelen Rohren, eingesetzt, die zwischen zwei Sammelkanälen verlaufen.
Ein derartiger Harfenabsorber mit mehreren parallel angeordneten
Fluidkanälen
weist jedoch den Nachteil auf, daß die parallel angeordneten
Fluidkanäle
des Absorbers ungleichmäßig durchströmt werden,
was auf einem Druckverlust beim Übergang
des Fluids von einem Sammelkanal in die parallelen Rohre basiert.
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Ein
weiterer aus dem Stand der Technik bekannter Absorbertyp ist ein
Kissenabsorber, der vollflächig
durchströmt
wird. Auch hier ist eine gleichmäßige Volumenstromverteilung,
insbesondere dann, wenn nur niedrige Volumenströme gefördert werden, nur schwer zu
realisieren.
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Ein
weiteres, all diesen vorgenannten Absorbertypen gemeinsames Problem
besteht ferner darin, daß ein
vollständiges
Entleeren dieser bekannten Absorbertypen und -geometrien in den
meisten Fällen
problematisch ist, da diese aus dem Stand der Technik bekannten
Absorber häufig
Toträume und/oder
Hinterschneidungen aufweisen, die ein einfaches Auslaufenlassen
von Fluid aus dem Absorberelement, respektive aus dem Fluidkanal
bzw. den Fluidkanälen
heraus, ebenso wie ein Entlüften
beim Befüllen
des Absorberelements, verhindern. Dieses Problem tritt insbesondere
bei bisherigen Mäander- und
Serpentinenabsorbern, aber auch bei Harfenabsorbern auf.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur solaren
Energiegewinnung, insbesondere einen Sonnenkollektor, ein Verfahren
zur Herstellung eines solchen und die Verwendung einer solchen Vorrichtung
zur Verfügung
zu stellen, bei dem vorgenannte Probleme deutlich reduziert sind und
ein Wärmeübergang
auf ein durch die Vorrichtung erwärmtes Fluid verbessert ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Schutzanspruch 1, durch ein
Verfahren gemäß Schutzanspruch
15 und durch eine Verwendung gemäß Schutzanspruch
16 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur solaren Energiegewinnung,
insbesondere Solar- bzw. Sonnenkollektor, mit zumindest einem Absorberelement, das
wenigstens einen Fluidkanal umfaßt, gelöst, wobei der Fluidkanal wenigstens
einen geknickten Strömungspfad
aufweist.
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Ein
wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, daß durch einen geknickten Strömungspfad weitgehend
vermieden wird, daß der
Fluidkanal von einem Fluid mit einem laminaren Strömungsprofil durchströmt wird,
da durch einen Knick im Strömungspfad
des Fluidkanals eine turbulente Strömung erzeugt wird, durch welche
in vorteilhafter Weise eine Steigerung der thermischen Effizienz
des Absorberelements bewirkt wird. Dieser Effekt ist darauf zurückzuführen, daß sich in
einer turbulenten Strömung
im Querschnitt des Fluidkanals so gut wie keine Temperaturgradienten
innerhalb des in dem Fluidkanal geführten Fluid ausbilden können, da
Fluid, das an einer warmen Seite des Absorberelements erwärmt wurde,
durch die Turbulenz der Strömung
sofort mit kühlerem
Fluid durchmischt wird, das nicht in unmittelbarem Kontakt mit einer
warmen Seite des Absorberelements gestanden hat. Gleichzeitig mit der
Verwitbelung des an der warmen Fläche des Absorberelements bereits
erwärmten
Fluids wird dieser warmen Fläche
aufgrund der turbulenten Strömung sofort
kühleres
Fluid zugeführt,
das aufgrund einer größeren Temperaturdifferenz
zwischen dem noch nicht oder nur gering erwärmtem Fluid und der warmen
Absorberfläche
eine erhöhte
Menge an thermischer Energie aufnehmen kann.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß auf vorbeschriebene
Weise die Wärmeübertragung
und damit die Wärmeeffizienz
eines mit einem solchen Absorberelement ausgestatteten Solarkollektors
auf einfache und kostengünstige
Weise deutlich gesteigert werden kann.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist der geknickte Strömungspfad in einem und/oder
als ein Umlenkbereich des Fluidkanals ausgebildet.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
kann der geknickte Strömungspfad
dadurch erhalten werden, daß der
Fluidkanal so umgelenkt wird, daß der Strömungspfad an einem Knick vorbei
oder über
einen Knick hinweg strömt,
durch den wie vorbeschrieben bewirkt wird, daß eine laminare Strömung mit
all damit einhergehenden Vorteilen in eine turbulente Strömung übergeht.
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An
dieser Stelle sei erwähnt,
daß ein
geknickter Strömungspfad
auf einfache Weise auch dadurch erzeugt werden kann, daß in dem
Fluidkanal eine Engstelle, beispielsweise aufgrund eines Einbaus
oder einer Kante in dem Fluidkanal, vorgesehen ist. Ein solcher
geknickter Strömungspfad
kann beispielsweise durch eine rampenartige Strömungsführung oder durch eine eine
Rotation des Fluids in dem Fluidkanal auslösende lokale oder sich durch
den gesamten Fluidkanal erstreckende Führung erzeugt werden.
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Erfindungsgemäß schließt der geknickte Strömungspfad
einen Winkel von vorzugsweise 90°, insbesondere
im Bereich von 90° bis
105° und
besonders bevorzugt im Bereich von 90,5° bis 95° und/oder einen Winkel von < 90°, insbesondere
im Bereich von 89,5° bis
85° ein.
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Es
sei darauf hingewiesen, daß der
Fluidkanal der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
sofern gewünscht,
mehrere geknickte Strömungspfade
aufweisen kann, die beispielsweise in serieller Anordnung innerhalb
des Fluidkanals angeordnet sind. Diese mehrfach geknickten Strömungspfade
innerhalb eines Fluidkanals können
unterschiedliche Winkel aufweisen, wobei Winkel bevorzugt sind,
die größer oder
gleich einem rechtem Winkel sind, da derartige Winkel, insbesondere
im Bereich von 90,5° bis 105° einen optimalen
Kompromiß zwischen
einem auftretenden Druckverlust des Fluids in dem Fluidkanal und
der Bewirkung einer turbulenten Strömung in dem Fluidkanal darstellen.
Ein Winkel von kleiner als 90° kann
dann vorteilhaft sein, wenn das Fluid eine sehr niedrige Dichte
aufweist bzw. gasförmig
ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist der Fluidkanal im wesentlichen mäanderförmig ausgebildet.
Der wesentliche Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, daß ein mäanderförmig ausgebildeter
Fluidkanal, der sich zwischen einem ortsfesten Ein- und einem ortsfesten
Auslauf erstreckt, eine deutlich größere Länge aufweist, als ein linearer Fluidkanal,
der sich in gerader Linie zwischen diesem ortsfesten Einlauf und
diesem ortsfesten Auslauf erstreckt. Auf diese Weise ist eine Wärmeübertragungsstrecke
eines sich mäanderförmig erstreckenden
Fluidkanals gegenüber
einem sich linear in gerader Linie erstreckenden Fluidkanal deutlich
vergrößert, was
wiederum einen positiven Einfluß auf
die Wärmeübertragungseffizienz
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bewirkt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung verläuft
zumindest eine mäanderförmige Windung
des Fluidkanals im wesentlichen trapezförmig, wobei die mäanderförmige Windung
des Fluidkanals definierende Schenkel in Form von drei Seiten eines
Trapezes angeordnet sind, wobei der Verlauf des Fluidkanals durch
die beiden nicht parallelen Schenkel des Trapezes sowie, vorzugsweise,
durch die kürzere
der beiden parallelen Seiten des Trapezes gebildet wird.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung können
die beiden nicht parallelen Schenkel unterschiedlich lang ausgebildet
sein, wobei unter Zuhilfenahme einer gedachten, im Falle gleich
langer nicht paralleler Schenkel, das Trapez vervollständigenden
Linie, ein Trapezoid entsteht, das aus vier miteinander nicht parallelen
Seiten gebildet ist.
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Erfindungsgemäß sind jeweilige
Innenwinkel α von
trapezförmigen
Abschnitten eines mäanderförmig verlaufenden
Fluidkanals im wesentlichen gleich groß. Auf diese Weise ist eine
einfache Fertigung der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, da
ein Fluidkanal, beispielsweise in Form einer Rohrleitung oder einer
Kanalführung
in einer Absorberelementwand, nur mit einem Winkelmaß hinsichtlich
seines Innenwinkels bearbeitet werden muß. Auf diese Weise ist es einfach
möglich,
einen gleichmäßig mäander- und/oder
trapezförmig
verlaufenden Fluidkanal herzustellen.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist das Absorberelement als Rollbond-Absorberelement
ausgebildet, wobei zwei, nach Wunsch gleich dicke oder unterschiedlich dicke
Aluminiumplatten, die jeweils mit, sich in Übereinanderlage ergänzenden
Kanalabschnitten versehen sind, miteinander verpreßt oder
anderweitig verbunden, beispielsweise verschweißt oder verklebt werden. Die
in den Aluminiumplatten vorgesehenen Kanäle bilden, wenn die beiden
Aluminiumplatten übereinander
angeordnet sind, jeweils einen Fluidkanal, der ein Wärmeübertragungsfluid
aufnehmen kann. Die Ausbildung des Absorberelements als Rollbond-Absorberelement
ist besonders vorteilhaft, da in dem Absorberelement keine Rohrleitungen
angeordnet werden müssen,
sondern der in dem Absorberelement verlaufende Fluidkanal unmittelbar
durch die das Absorberelement begrenzenden Metall-, insbesondere
Aluminiumplatten gebildet wird, wobei die in den Metallplatten vorgesehenen
Kanäle
beispielsweise mittels Druck in diese eingeprägt sind. Ein Vorteil derartiger
Rollbond-Absorberelemente besteht darüber hinaus darin, daß Wärme von
den den Absorber begrenzenden Metallplatten, bevorzugt Aluminiumplatten,
unmittelbar auf das in dem Fluidkanal geführte Fluid ohne Wärmeverlust übergehen
kann. Es sei explizit darauf hingewiesen, daß erfindungsgemäß außer dem
Material Aluminium auch andere Metalle mit guter Wärmeleitfähigkeit
zur Herstellung des Absorberelements verwendet werden können.
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Des
weiteren liegt es im Umfang der Erfindung, daß das Absorberelement mit einer
Mehrzahl von Fluidkanälen
in Form eines Harfenabsorbers ausgebildet ist. Der darin begründete Vorteil
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
liegt darin, daß die
Wärmeübertragungseffizienz
des erfindungsgemäß ausgestalteten
Absorberelements durch eine Mehrfachanordnung von Fluidkanälen in einem
Absorberelement deutlich gesteigert werden kann. Darüber hinaus
kann ein Druckverlust in jedem einzelnen Fluidkanal reduziert werden,
da bei der Verwendung von mehreren Fluidkanälen in einem Absorberelement
jeder einzelne Fluidkanal hinsichtlich seiner Fluidkanallänge kürzer ausgebildet
sein kann, ohne daß das Gesamtvolumen
des Ubertragungsfluids, welches sich in allen Fluidkanälen des
Absorberelements befindet, reduziert wäre.
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Erfindungsgemäß verlaufen
die Fluidkanäle eines
Harfenabsorbers zwischen einem Verteilerrohr und einem Sammlerrohr.
Das Fluid strömt
hierbei zunächst
in ein Verteilerrohr und von diesem in sich von dem Verteilerrohr
wegerstreckende Fluidkanäle,
die sich gemäß ihrer
Hauptrichtung in Richtung des Sammlerrohres erstrecken, welches
das aus den Fluidkanälen
ausfließende
Fluid aufnehmen und sodann einer weiteren Verwendung zuführen kann.
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Des
weiteren weisen das Verteiler- und/oder das Sammlerrohr hinsichtlich
ihrer Längserstreckung an
einem Ende, vozugsweise jedoch an jedem Ende, einen externen Anschluß auf, über den
ein Fluid in das Absorberelement, respektive in dessen Fluidkanal
eingeleitet oder von diesem weggeleitet werden kann.
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Die
Vorsehung von zwei externen Anschlüssen jeweils am Verteilerrohr
und am Sammlerrohr erhöht
die Einbauvariabilität
des Absorberelements in eine erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere einen
erfindungsgemäßen Solarkollektor.
Darüber
hinaus kann im Falle der Vorsehung von jeweils zwei externen Anschlüssen ein
durch das Absorberelement geförderter
Fluidvolumenstrom im Vergleich zu nur einem externen Anschluß am Verteilerrohr
und am Sammlerrohr deutlich gesteigert werden. Darüber hinaus
ist die Vorsehung von jeweils zwei externen Anschlüssen an
dem jeweiligen Verteiler- und dem Sammlerrohr hinsichtlich einer
wärmeeffizienten
Abführung
des erwärmten
Fluids von Vorteil, da auf diese Weise gewährleistet ist, daß kein erwärmtes Fluid in
dem Absorber element, beispielsweise in einem Totraum verbleibt,
der im Falle der Vorsehung von nur jeweils einem externen Anschluß an dem
Verteilerrohr und/oder an dem Sammlerrohr nicht durchströmt würde.
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Des
weiteren weisen das Verteiler- und das Sammlerrohr entlang ihrer
jeweiligen Längserstreckung
mindestens einen, bevorzugt bis zu 50 und besonders bevorzugt bis
zu 10 Anschlüsse
für Fluidkanäle auf.
Im Bereich dieser Anschlüsse
kann in vorteilhafter Weise jeweils ein geknickter Strömungspfad
in den jeweiligen Fluidkanälen
vorhanden sein, und zwar unmittelbar im Anschlußbereich des Fluidkanals an
das Verteilerrohr, um ein optimiertes Einströmen von Fluid von dem Verteilerrohr
in die jeweiligen Fluidkanäle
zu gewährleisten.
Zu diesem Zweck sind die Fluidkanäle mit einer Anschrägung versehen
an dem Verteilerrohr angebracht, um einen trichterartig erweiterten
Zugang von dem Verteilerrohr in den jeweiligen Fluidkanal zu ermöglichen.
Diese trichterartige Erweiterung der Fluidkanäle vergrößert sich in Abhängigkeit
des Abstands von einem externen Anschluß, der an dem Verteilerrohr
vorgesehen ist. Auf diese Weise ist es möglich, Fluid von dem Verteilerrohr
gezielt in einen jeweiligen Fluidkanal einzuleiten und einen Druckverlust
im Übergangsbereich
von Verteilerrohr und Fluidkanal zu minimieren.
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Des
weiteren ist ein Rohrdurchmesser des Verteiler- und/oder des Sammlerrohres
größer, insbesondere
um einen Faktor von 2 bis 10 größer, als ein
Rohrdurchmesser eines Fluidkanals.
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Da
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
in aller Regel nicht flach, d. h. nicht in Horizontallage, sondern
mit einer gewissen Neigung verwendet wird, wobei das Absorberelement
von unten nach oben durchströmt
wird, ist diese Ausführungsform
besonders gut geeignet, um das Absorberelement zu entlüften, d.
h. dessen Fluidkanäle
homogen und gleichmäßig mit
dem Übertragungsfluid
zu füllen,
wobei das Fluid über
einen externen Anschluß zunächst in das
Verteilerrohr einströmt,
dieses auffüllt
und anschließend
in die einzelnen Fluidkanäle
eines Harfenabsorbers gedrückt
wird, um am oberen Ende der jeweiligen Fluidkanäle aus diesen heraus in das Sammlerrohr
zu strömen.
Durch die Zurverfügungstellung
eines solchen Puffervolumens in Form eines Verteilerrohres kann
eine ungleichmäßige Befüllung der
Fluidkanäle
und damit ungleiche Strömungsverhältnisse
in den Fluidkanälen
vermieden werden, was wiederum zu einer Effizienzsteigerung beim Wärmeübergang
des Absorberelements und damit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beiträgt.
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Zu
diesem Zweck ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Ein- und/oder
eine Ausströmöffnung von
Fluid über
einen externen Anschluß in
das Verteilerrohr oder aus dem Sammlerrohr in bezug zu einer Ein-
und/oder einer Ausströmrichtung
von Fluid in oder aus einem Fluidkanal in einem Winkel, bevorzugt
in einem Winkel von im wesentlichen im Bereich von 90° ± 10°, verläuft. Auf
diese Weise ist gewährleistet,
daß Fluid
nicht unmittelbar von einem externen Anschluß in eine Einströmöffnung eines
Fluidkanals fließt
und auf diese Weise einen Vorzugsfluidkanal definiert, sondern daß alle Fluidkanäle gleichermaßen befüllt werden,
nachdem zuvor das Verteilerrohr vollständig aufgefüllt wurde. Auch im weiteren Betrieb
ist auf diese Weise durch den relativ großen Rohrdurchmesser des Verteilerrohres
gewährleistet, daß eine gleichmäßige Verteilung
des Fluids auf alle Fluidkanäle
erfolgt.
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Des
weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen,
daß sich
die jeweiligen externen Anschlüsse
in eine Richtung erstrecken, die dem bzw. den Anschlüssen für Fluidkanäle im wesentlichen
entgegengesetzt ist.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
wird auf einfache Weise gewährleistet,
daß bei
einem Öffnen
der externen Anschlüsse
das Fluid, insbesondere bei Winkeln des geknickten Strömungspfads
von ≥ 90° direkt aus
dem Absorberelement auslaufen kann, wenn dieses geneigt oder senkrecht
gestellt wird.
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Des
weiteren wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zum
Herstellen einer Vorrichtung zur solaren Energiegewinnung, insbesondere
Sonnenkollektor gemäß den vorstehenden
Ausführungen
gelöst,
wobei das Absorberelement erfindungsgemäß im Rollbond-Verfahren hergestellt
wird.
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Ferner
wird die Aufgabe durch die erfindungsgemäße Verwendung einer derartigen
Vorrichtung in einem Solarkollektorsystem, in welchem ein oder mehrere
vorbeschriebene Absorberelement(e) oder vollständige erfindungsgemäße Vorrichtungen vorgesehen
sind, gelöst.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird der Absorber der erfindungsgemäßen Vorrichtung
im Rollbond-Verfahren aus zwei verpreßten, d. h. kaltverschweißten, gleich oder
unterschiedlich dicken Aluminiumplatten hergestellt, die mit Kanälen versehen
sind, die mittels der Anwendung von Druck aufgeweitet sind, und
in welche nach einem Zusammenfügen
der Aluminiumplatten das Fluid, nämlich die Solarflüssigkeit
bzw. das Wärmeträgermedium
fließt.
Die Kanäle
sind so ausgelegt, daß der Kollektor
mit vier Anschlüssen
versehen werden kann und somit über
eine symmetrische 4-Rohr-Anschlußmöglichkeit verfügt. In geneigter Aufstellung
ist somit unten ein Verteiler- und oben ein Sammlerrohr integriert,
die jeweils so konstruiert sind, daß sich kein Luftsack oder anderer
Hohl- und/oder Totraum bilden kann, so daß ein völlig selbständiges Entleeren jederzeit
gewährleistet
ist. Des weiteren wird erfindungsgemäß sichergestellt, daß durch
die besondere erfindungsgemäße Konstruktion
des Verteilerrohres unten und des Sammlerrohres oben die einzelnen
als Steigkanäle
ausgebildeten Fluidkanäle
gleichmäßig durchströmt werden.
Der Kanalquerschnitt des Verteilerrohres ist so bemessen, daß beispielsweise
bis zu 10 Fluidkanäle
hintereinander geschaltet werden können. Der Abstand zwischen
den Steig- bzw. Fluidkanälen,
in der Regel vier Stück,
ist im Verhältnis
zu herkömmlichen Cu/Cu-
bzw. Alu/Cu-Absorberelementen relativ groß, da die Wärmeträgermittelkanäle, nämlich die
Fluidkanäle,
direkt im Absorberelementblech eingebettet sind und ein Wärmeübergangswiderstand
bei einem Absorberelement, das nach dem Rollbondverfahren hergestellt
worden ist, nicht vorhanden bzw. äußerst gering ist. Die Fluidkanäle, die
sich zwischen dem unteren Verteilerrohr und dem oberen Sammlerrohr
erstrecken, sind bevorzugtmäanderförmig bzw.
trapezförmig
so angeordnet, daß diese
bei einem senkrecht stehenden Absorberelement stetig steigend verlaufen,
so daß bei
einem Öffnen
der externen Anschlüsse,
ein sicheres Auslaufen des Fluids aus dem Absorberelement gewährleistet
ist und das Absorberelement bei der Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sicher entlüftet
werden kann. Darüber
hinaus wird durch die trapezförmige
Streckenführung
der jeweiligen Fluidkanäle
eine deutliche Verlängerung
der Fluidkanäle
ermöglicht
und ein turbulentes Strömungsprofil
in den Fluidkanälen
erreicht, wodurch sich der Wärmeübergang
von den Platten des Absorberelements auf das Wärmeträgermedium erheblich verbessert.
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Weitere
Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben,
die anhand der Abbildungen näher
erläutert
werden. Hierbei zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Ausführungsform
eines Absorberelements gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Draufsicht;
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2 eine
schematische Detaildarstellung gemäß der in 1 gezeigten
Ausführungsform;
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3 eine
schematische Darstellung einer Querschnittsansicht im Stadium einer
Herstellung einer Ausführungsform
gemäß 1 vor
einem Rollbonden des Absorberelementes; und
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4 eine
schematische Darstellung eines Querschnitts der Ausführungsform
gemäß 1.
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In
der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende
Teile dieselben Bezugsziffern, gegebenenfalls unter Verwendung von Hochkommas
verwendet.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Absorberelements gemäß einer
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur solaren Energiegewinnung. Das Absorberelement 2 umfaßt vier
sich mäanderförmig zwischen
einem Zulaufverteiler 36 und einem Ablaufsammler 38 erstreckende Fluidkanäle 4, 4', 4'', 4'''. Der Zulaufverteiler 36 weist an
seinen beiden Enden jeweils einen externen Anschluß 40 auf.
Ein Zulauf von diesen Anschlüssen 40 in
den Zulaufverteiler 36 erstreckt sich im wesentlichen in
eine Richtung, die den Anschlüssen 41 der Fluidkanäle 4 bis 4''' an
den Zulaufverteiler 36 entgegengesetzt ist. Des weiteren
ist in 1 dargestellt, daß mäanderförmige Windungen des Fluidkanals
in Form von drei Seiten umfassenden Teilstücken eines Trapezes vorliegen,
die jeweils über
ihre nicht parallelen Schenkel miteinander verbunden sind und auf diese
Weise einen mäanderförmigen Verlauf
erhalten.
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In 2 ist
eine Detaildarstellung dieser mäanderförmig verlaufenden
Windungen des Fluidkanals 4 gezeigt. Insbesondere geht
aus 2 hervor, daß die
jeweiligen Innenwinkel α, α' der jeweiligen Trapezabschnitte
identisch sind und einen Winkel von 95° (nicht maßstabsgetreu dargestellt) einschließen. Diese
Winkel α, α' werden durch die
Schenkel 10, 12, 14 und 16 gebildet,
wobei diesen jeweiligen Innenwinkeln α, α' jeweilige Umlenkbereiche 8, 8', 8'', 8''' zugeordnet
sind. Die jeweils zugeordneten Trapeze sind mit den Bezugszeichen 6, 6' und 6'' bezeichnet.
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Insbesondere
aus 1 in Verbindung mit 2 läßt sich
gut erkennen, daß sich
ein Fluidweg von den externen Anschlüssen 40 des Zulaufverteilers 36 über die
Fluidkanäle 4, 4', 4'', 4''' bis zu dem Ablaufsammler 38 und
von dort bis zu dessen externen Anschlüssen 40' stetig steigend erstreckt, wenn das
Absorberelement 2 so aufgestellt ist, daß sich der
Zulaufverteiler 36 unten 20 und der Ablaufsammler 38 sich
oben 22 befindet. Auf diese Weise ist eine einfache Befüllung des
Absorberelements 2 über
die externen Anschlüsse 40 des
Zulaufverteilers 36 problemlos möglich, ohne daß ein Luftraum
in dem Absorberelement 2 verbleibt, wenn dieses von unten 20 bis
oben 22 vollständig
gefüllt
ist. Auf diese Weise ist ein Entlüften des Absorberelements 2 problemlos möglich. Umgekehrt
kann das Absorberelement aufgrund der in umgekehrter Betrachtungsweise
stetig fallenden Leitungen von den externen Anschlüssen 40' bis zu den
externen Anschlüssen 40 problemlos entleert
werden.
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Gemäß dem in 1 dargestellten
Absorberelement umfaßt
dieses insgesamt vier Fluidkanäle 4 bis 4''',
die parallel verlaufen.
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Die 3 und 4 zeigen
einen Querschnitt der Ausführungsform
gemäß 1 zusammen
mit einer Abdeckplatte 42 und einer Isolierschicht 32 in
schematischer Darstellung, wobei in 3 eine noch
unfertige Zwischenstufe im Zuge des Herstellungsprozesses des Absorberelements 2 dargestellt
ist.
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Das
Absorberelement 2 des Solarkollektors 1 besteht
aus zwei Aluminiumplatten 2a und 2b, in welchen
Fluidkanal-Teilabschnitte 4a und 4b ausgebildet
sind. Bei einem Zusammenfügen
der Aluminumplatten 2a und 2b werden diese Fluidkanal-Teilabschnitte 4a und 4b so
in einander zugeordneter Weise aneinandergefügt, daß aus diesen beiden Teilabschnitten 4a und 4b jeweils
ein Fluidkanal 4 gebildet wird. Ein Zusammenfügen der
beiden Aluminiumplatten 2a und 2b erfolgt über Rollbonden,
wobei diese durch Anwendung von Druck kaltverschweißt werden.
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Bei
der Verwendung des Absorberelements 2 in einem erfindungsgemäßen Solarkollektor 1 wird dieser
mit seiner Oberseite 3 der Sonne zuweisend positioniert,
so daß das
Absorberelement 2 und in der Folge das sich in den Fluidkanälen 4 befindliche
Absorberfluid 34 durch die Sonnenenergie erwärmt wird.
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur solaren Energiegewinnung, insbesondere Solarkollektor 1,
ist die Unterseite 5 des Solarkollektors 1 mit
einer Isolierschicht 32 versehen.
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Aufgrund
der unmittelbaren Anordnung der mäanderförmig verlaufenden Fluidkanäle 4 in
dem Absorberelement 2 und der Vorsehung von geknickten
Strömungspfaden
in den Fluidkanälen 4 ist
der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Solarkollektors 1 gegenüber solchen
gemäß dem Stand
der Technik deutlich erhöht.
Dieser erfindungsgemäße sehr
hohe Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung basiert in
erster Linie auf der sehr effizienten Erzeugung turbulenter Strömungsprofile
in den Fluidkanälen
durch die Vorsehung von erfindungsgemäß beanspruchten geknickten
Strömungspfaden
in den Fluidkanälen
und darüber
hinaus auf einem sehr geringen Wärmeübergangswiderstand
zwischen dem Absorberelement und dem Absorberfluid 34.
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Aufgrund
dieses optimierten Wirkungsgrades kann der Abstand der einzelnen
in dem Absorberelement 2 angeordneten Fluidkanäle zueinander größer bemessen
sein als bei herkömmlichen
Cu/Cu- bzw. Alu/Cu-Absorberelementen, ohne eine geringere Energieeffizienz
befürchten
zu müssen,
was sich in verringerten Herstellungskosten des Absorberelements 2 einer
Vorrichtung gemäß der Erfindung
im Gegensatz zu bislang bekannten Absorberelementen äußert.
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An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß alle oben beschriebenen Teile
für sich
alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den
Zeichnungen dargestellten Details als erfindungswesentlich beansprucht
werden. Abänderungen
hiervon sind dem Fachmann geläufig.
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- 1
- Solarkollektor
- 2
- Absorberelement
- 3
- Oberseite
- 4
- Fluidkanal
- 5
- Unterseite
- 6
- Trapez
- 8
- Umlenkbereich
- 10
- Schenkel
- 12
- Schenkel
- 14
- Schenkel
- 16
- Schenkel
- 20
- unten
- 22
- oben
- 32
- Isolationsschicht
- 34
- Absorberfluid
- 36
- Zulaufverteiler
- 38
- Ablaufsammler
- 40
- externer
Anschluß
- 41
- Anschluß für Fluidkanal
- 42
- Abdeckplatte