DE10034655A1 - Device for using solar power has two layers, transmissive one facing sun and radiation absorbent one, between which air is heated and fed by natural convection to heat utilizing device - Google Patents

Device for using solar power has two layers, transmissive one facing sun and radiation absorbent one, between which air is heated and fed by natural convection to heat utilizing device

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Abstract

The hot air solar roof has two layers, one facing the sun that is transmissive and one that is absorbent to radiation, between which air is heated and fed by natural convection to a device that utilizes the heat. The two layers consist of roof tiles, the upper one of glass tiles and the lower one conventional tiles or radiation absorbing glass tiles.

Description

Die Erfindung betrifft den Aufbau einer Anlage zur thermischen Nutzung der Sonnenener­ gie unter Verwendung von Luft und Flüssigkeit als Wärmeträger sowie die dazu erforderli­ chen Elemente und deren Anordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die thermische Nutzung der Sonnenenergie basiert meist auf einer Umwandlung der Strahlungsenergie an festen Oberflächen in Wärme und deren Abtransport durch ein Fluid. Die dazu verwendete Vorrichtung wird als Solarkollektor bezeichnet. Üblicherweise wird die Wärme zur Erwärmung von Brauchwasser, zur Unterstützung von Heizungssystemen oder zur Wärmespeicherung verwendet. Nach dem Stand der Technik wird als Fluid meist eine Flüssigkeit - bevorzugt Wasser unter Zusatz eines Frostschutzmittels - genutzt.The invention relates to the construction of a system for the thermal use of the sun gie using air and liquid as a heat carrier and the necessary Chen elements and their arrangement according to the preamble of claim 1. The thermal use of solar energy is mostly based on a conversion of the Radiant energy on solid surfaces in heat and its removal by a fluid. The device used for this is called a solar collector. Usually the Heat to heat domestic water, to support heating systems or used for heat storage. According to the prior art, one is usually used as the fluid Liquid - preferably water with the addition of an antifreeze - used.

Die Verwendung von Flüssigkeiten als Wärmeträger hat jedoch den Nachteil, dass die Solarkollektoren als flüssigkeitsdichte Druckbehälter ausgelegt sein müssen, die zur Son­ nenseite durch ein durchscheinendes Glas geschützt und isoliert und auf der sonnenabge­ wandten Seite isoliert sind. Wegen der erforderlichen langen Lebensdauer ist diese Kon­ struktion aufwendig und somit teuer und bedarf der ständigen Wartung. Werden Kollekto­ ren auf Dächern montiert, so verändern sie den optischen Eindruck des Daches und des Hauses meist negativ. Hinsichtlich der Gestaltung des Daches ist man an die Dimensionen und die Oberflächengestaltung der überwiegend industriell gefertigten Solarkollektoren gebunden.However, the use of liquids as heat transfer media has the disadvantage that the Solar collectors must be designed as liquid-tight pressure vessels that are used for Son Protected and insulated on the inside by a translucent glass and on the sun side are insulated. Because of the long life required, this con structure complex and therefore expensive and requires constant maintenance. Become a collector mounted on roofs, they change the visual impression of the roof and the House mostly negative. With regard to the design of the roof, the dimensions are important and the surface design of the mainly industrially manufactured solar collectors bound.

Es ist bekannt, ein durch die Sonnenstrahlung erwärmtes Mittel unterhalb strahlungsabsor­ bierender Dachbeläge mittels Leitungen einem Wärmetauscher zuzuführen (PN 3005424). Ebenso ist bekannt, die mittels Glasdachziegeln erwärmte Luft in besonders gebauten Kanälen der Dachverschalung zu sammeln und wärmetechnisch zu nutzen (PN 3608197). Beide Vorschläge greifen jedoch in die Konstruktion des Daches ein und verändern dessen Charakter.It is known to have an agent heated by solar radiation below the radiation absorber supplying the roof coverings to a heat exchanger using pipes (PN 3005424). It is also known that the air heated by means of glass roof tiles in specially built Collect channels of the roof cladding and use them for thermal purposes (PN 3608197). However, both suggestions intervene in the construction of the roof and change it Character.

Aufgabe der vorgelegten Erfindung ist es, den bisher in der Regel verwendeten flüssig­ keitsgefüllten Solarkollektor durch einen Kollektor unter Verwendung von Luft als Wärme­ träger zu ersetzen und diesen so zu gestalten, dass er die gesamte Dachfläche einnimmt, wobei die Unterkonstruktion des Daches weitestgehend erhalten bleibt. Dieser Kollektor erfüllt gleichzeitig die dichtende Funktion des Daches und die Nutzung der Solarenergie. The object of the submitted invention is to make the liquid which has hitherto generally been used filled solar collector by a collector using air as heat to replace the carrier and to design it so that it takes up the entire roof area, whereby the substructure of the roof is largely preserved. This collector fulfills the sealing function of the roof and the use of solar energy.  

Der Kollektor ist einfach aufzubauen und arbeitet weitestgehend wartungsfrei. Der optische Eindruck des Daches wird bei freier Gestaltungsmöglichkeit nicht oder kaum verändert. Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 ("Heißluft-Solardach") gelöst.The collector is easy to assemble and works largely maintenance-free. The optical one The impression of the roof is not or hardly changed with free design options. These tasks are achieved by a device according to claim 1 ("hot air solar roof") solved.

Das Dach wird mit zwei, durch Abstandshalter voneinander getrennten Schichten gedeckt. Für die sonnenzugewandte Seite werden vorzugsweise Glasdachziegeln mit weitestge­ hend herkömmlichen Abmessungen verwendet, die dem Dach zugewandte Seite kann ebenfalls aus Glasdachziegeln bestehen (Abb. 1). Diese Glasdachziegel sind dabei vorzugsweise aus Altglas gefertigt, können zur Verbesserung des Wirkungsgrades teil­ weise beschichtet sein und haben eine geringere Stärke als baugleiche herkömmliche Ziegel, um die Dachlast zu begrenzen. Der Abstand zwischen den Deckungen wird durch spezielle Abstandhalter bestimmt (Einzelheit 1 in Abb. 1). Die untere Deckung ist dabei an der Oberfläche, die zur Sonne zugewandt ist, mit einer strahlungsabsorbierenden Schicht versehen. Die gesamte Deckung wird zum Dach zu zweckmäßigerweise isoliert, um Wärmeverluste zu vermindern.The roof is covered with two layers separated by spacers. Glass roof tiles with largely conventional dimensions are preferably used for the sun-facing side; the side facing the roof can also consist of glass roof tiles ( Fig. 1). These glass roof tiles are preferably made of waste glass, can be partially coated to improve efficiency and have a lower thickness than identical conventional tiles to limit the roof load. The distance between the covers is determined by special spacers (detail 1 in Fig. 1). The lower cover is provided with a radiation-absorbing layer on the surface facing the sun. The entire cover is suitably insulated from the roof in order to reduce heat losses.

Durch die doppelte Deckung und den Abstand zwischen den beiden Deckungen entsteht ein kanalförmiger, gemäß der Dachneigung schräggestellter Hohlraum, der nach unten offen ist und oben (am Dachfirst) in einem verrippten, wasserdurchflossenen Wärmetau­ scher endet.Due to the double coverage and the distance between the two coverings a channel-shaped cavity, which is inclined according to the roof pitch and which faces downwards is open and at the top (on the roof ridge) in a ribbed, water-permeated heat rope sher ends.

Die auftreffende Strahlung durchdringt die oberen, strahlungsdurchlässigen Glasziegel und wird an der absorbierenden Schicht der darunter liegenden Ziegel in Wärme umgewandelt. Durch diese Wärme wird die in dem Kanal befindliche Luft erwärmt und strömt unter der Wirkung des einsetzenden natürlichen Auftriebs nach oben, also in Richtung des in First­ nähe befindlichen Wärmetauschers. Dort gibt sie Wärme an das im Wärmetauscher fließende Wasser ab.The incident radiation penetrates the upper, radiation-permeable glass bricks and is converted into heat at the absorbent layer of the underlying bricks. This heat heats the air in the duct and flows under it Effect of the onset of natural buoyancy upwards, i.e. in the direction of that in ridge near the heat exchanger. There it gives off heat to that in the heat exchanger running water.

Auf eine Abdichtung der Glas-Dachziegel kann verzichtet werden, da die Strömungsverlus­ te durch Spalte gering sind. Die Strömungsgeschwindigkeit der Luft hängt von der Erwär­ mung und den Strömungswiderständen ab; in gewissen Grenzen ist das System selbst­ regelnd. Die erreichbare Temperatur der Luft wird neben der Sonneneinstrahlung von der Strömungsgeschwindigkeit der Luft bestimmt. Diese kann durch Durchsatzbegrenzungen am Ein- oder Austritt geregelt werden. Der Wärmetauscher in Firstnähe ist einfach gebaut und besteht nur aus einem verrippten Rohr, durch das z. B. Brauchwasser fließt und er­ wärmt wird. There is no need to seal the glass roof tiles because the flow is lost te are small due to gaps. The air flow rate depends on the heat and flow resistance; the system itself is within certain limits regulating. The attainable temperature of the air is dependent on the sun's radiation Air flow velocity determined. This can be achieved through throughput limits regulated at the entry or exit. The heat exchanger near the ridge is simply built and consists only of a ribbed tube through which z. B. Process water flows and he is warmed.  

Die geometrische Gestaltung des Daches unterliegt keinen Beschränkungen durch den Wärmetauscher, der ebenfalls in allen Geometrien und Lagen eingebaut werden kann. Eine Einfärbung der Glasdachziegel, insbesondere der unteren, kann farblich angepasst werden. Die untere Ziegelschicht kann dabei auch aus herkömmlichem Material (Ton, Beton) bestehen. Insofern ist es auch möglich, die ursprüngliche Deckung als untere Schicht beizubehalten.The geometric design of the roof is not restricted by the Heat exchanger that can also be installed in all geometries and positions. A coloring of the glass roof tiles, especially the lower ones, can be adjusted in color become. The lower layer of brick can also be made of conventional material (clay, Concrete). In this respect it is also possible to use the original cover as the lower one Maintain layer.

Zur Verminderung der Wärmeverluste kann die Umsetzung der Strahlungsenergie in Wär­ me auch an einer parallel zwischen den beiden Deckschichten befindlichen absorbierenden Strahlungsplatte erfolgen, die dann von beiden Seiten von der wärmeabführenden Luft umströmt wird (Einzelheit 2 in Abb. 1). In diesem Falle wird die untere Deckung strah­ lungsreflektierend ausgeführt, um die Wärmeverluste durch das Dach weiter zu vermin­ dern. Die Strahlungsplatte kann ebenflächig oder zur Vergrößerung der Wärmetauschflä­ che gefaltet oder verrippt gestaltet sein.To reduce heat losses, the radiation energy can also be converted into heat on an absorbing radiation plate located parallel between the two cover layers, which is then flowed around from both sides by the heat-dissipating air (detail 2 in Fig. 1). In this case, the lower cover is designed to reflect radiation in order to further reduce heat losses through the roof. The radiation plate can be flat or folded or ribbed to enlarge the heat exchange surface.

Des weiteren kann die doppelte Deckung durch Glas-Hohlziegeln ersetzt werden, bei der die Luft im Inneren der Hohlziegel erwärmt wird und dem Wärmetauscher zuströmt ( Abb. 2).Furthermore, the double covering can be replaced by hollow glass bricks, in which the air inside the hollow bricks is heated and flows to the heat exchanger ( Fig. 2).

Die der Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärme dienende Absorptionsschicht kann auch als photovoltaische Schicht ausgebildet werden. Dann ist mit diesem Aufbau gleich­ zeitig zur Wärmegewinnung auch die Erzeugung von elektrischem Strom, also eine Kraft-Wärme-Kopplung in der Solartechnik, möglich. The absorption layer used to convert radiation energy into heat can can also be formed as a photovoltaic layer. Then this structure is the same at the same time as generating heat, the generation of electric current, i.e. one Combined heat and power in solar technology possible.  

Ausführungsbeispielembodiment

Es ist eine Vorrichtung zur Nutzung der Sonnenenergie in Form eines Heißluft-Solarda­ ches in folgender Ausführungen als Variante 1 konstruiert worden:
Die vorhandene, nicht veränderte Konstruktion des Dachstuhles - hier bestehend aus Fetten und dem Firstbalken - trägt eine Deckung, die an der der Sonne zugewandten Oberfläche mit eine strahlungsabsorbierende Schicht versehen ist (Abb. 1). Dafür wurde geschwärztes, an der Unterseite isoliertes Stahlblech verwendet, sie kann aber auch aus anderen Materialien und auch aus herkömmlichen oder Glasziegeln bestehen. Über dieser ersten Deckung befindet sich eine zweite aus durchscheinenden Glasziegeln derart, dass ein freier Kanal für die Strömung von Luft entsteht. Der Abstand zwischen den beiden Deckungen wird durch Abstandshalter gewährleistet (Einzelheit 1 in Abb. 1). Die Luft tritt am unteren Ende des Daches ein, wird durch die Sonnenenergie erwärmt und tritt mit höherer als Umgebungstemperatur aus dem Kanal am oberen Ende aus. Dort wird sie einem verrippten Wärmetauscher zugeleitet und gibt die Wärme an eine im Inneren des Wärmetauschers fließende Flüssigkeit - üblicherweise eine frostgeschützte Kreislauf­ flüssigkeit - zur weiteren Wärmenutzung ab. Der Eintritt von Niederschlagswasser wird durch die Abdeckung mittels modifizierter Firstziegel verhindert.A device for using solar energy in the form of a hot-air solar roof has been constructed in the following versions as variant 1:
The existing, unchanged roof truss construction - here consisting of grease and the ridge beam - has a covering that is provided with a radiation-absorbing layer on the surface facing the sun ( Fig. 1). Blackened steel sheet insulated on the underside was used for this, but it can also consist of other materials and also of conventional or glass bricks. Above this first covering there is a second one made of translucent glass tiles in such a way that a free channel for the flow of air is created. The distance between the two covers is ensured by spacers (detail 1 in Fig. 1). The air enters at the lower end of the roof, is heated by solar energy and exits the duct at the upper end at a higher than ambient temperature. There it is fed to a ribbed heat exchanger and releases the heat to a liquid flowing inside the heat exchanger - usually a frost-protected circuit liquid - for further heat use. The entry of rainwater is prevented by the cover using modified ridge tiles.

Da sich die strahlungsabsorbierende Schicht unmittelbar auf der unteren Deckung befin­ det, wird ein Teil der entstehenden Wärme infolge Wärmeleitung durch die Deckung trans­ portiert und als Verlustwärme abgeführt. Der Anteil der Verlustwärme wird durch eine Isolationsschicht, die unterhalb der unteren Deckung befindet, vermindert.Because the radiation absorbing layer is directly on the lower cover det, part of the heat generated due to heat conduction through the cover is trans ported and dissipated as heat loss. The share of heat loss is determined by a Insulation layer, which is located below the lower cover, diminished.

Zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche und zur Verminderung der Wärmeverluste wurden in den freien Kanal Strahlungsplatten eingebracht, die an der sonnenzugewandten Seite strahlungsabsorbierend sind und die Wärme an ihren beiden Seiten durch Konvekti­ on an die umströmende Luft abgeben (Einzelheit 2 in Abb. 1). In diesem Fall ist auf die strahlungsabsorbierende Schicht auf der unteren Deckung verzichtet worden. Eine Faltung oder Verrippung dieser Strahlungsplatten vergrößert die Wärmeübergangsfläche zur strömenden Luft. Die Deckung wird in diesem Fall mit einer reflektierenden Schicht versehen, die die von den Strahlungsplatten ausgehende Wärmestrahlung in den Kanal zurückwirft und die Wärmeverluste verringert. Auch bei dieser Ausführung erfolgt eine zusätzliche Wärmedämmung unterhalb der unteren Deckung. Die Deckung der unteren Schicht kann auch bei dieser Bauweise aus herkömmlichen oder Glasziegeln mit Be­ schichtung bestehen.In order to increase the heat exchange area and to reduce the heat losses, radiation plates were placed in the free channel, which are radiation-absorbing on the side facing the sun and emit the heat on both sides by convection to the surrounding air (detail 2 in Fig. 1). In this case, the radiation-absorbing layer on the lower cover has been dispensed with. Folding or ribbing these radiation plates increases the heat transfer area to the flowing air. In this case, the cover is provided with a reflective layer, which reflects the heat radiation emitted by the radiation plates back into the channel and reduces the heat losses. This version also has additional thermal insulation below the lower cover. The cover of the lower layer can also consist of conventional or glass bricks with coating in this construction.

Als Variante 2 wurde ein Heißluft-Solardach gemäß Abb. 2 konstruiert.As variant 2, a hot air solar roof was constructed as shown in Fig. 2.

Anstelle der zwei Deckungen wird nur eine Deckung mit speziellen Hohlglas-Solarziegeln vorgenommen. Diese sind in ihren äußeren Abmessung so gestaltet, dass sie ohne Ver­ änderung der Dach-Unterkonstruktion anstelle herkömmlicher Dachziegel eingebaut werden können. Sie haben lediglich eine größere Dicke, da ein genügend freier Strömungs querschnitt für die im Inneren strömende Luft gewährleistet sein muß. Dieser Hohlglas- Solarziegel trägt an seiner unteren, der Sonne zugewandten Seite des Innenraumes eine strahlungsabsorbierende Schicht, die sich durch die Sonnenstrahlung erwärmt und die Wärme an die im Inneren strömende Luft abgibt. Die Hohlglas-Solarziegel sind mit Öff­ nungen versehen, durch die Luft ein- und ausströmen kann. Diese Öffnungen sind so gestaltet, dass die Ziegel in herkömmlicher Technologie verlegt werden können und gerin­ ge Maßungenauigkeiten, z. B. der Abstände der Dachlatten, kompensiert und Spaltverluste minimiert werden. Die Warmluft wird durch einen End-Ziegel einem in Firstnähe angeord­ neten Wärmetauscher zugeführt. Eine Wärmeisolation unterhalb der Hohlziegel erweist sich als zweckmäßig.Instead of the two coverings, only one cover with special hollow glass solar tiles is used performed. These are designed in their outer dimensions so that they can be used without Ver Modification of the roof substructure installed instead of conventional roof tiles  can be. They only have a larger thickness because there is enough free flow cross-section for the air flowing inside must be guaranteed. This hollow glass Solar tile has one on its lower, sun-facing side of the interior radiation-absorbing layer, which is heated by the sun's radiation and which Emits heat to the air flowing inside. The hollow glass solar tiles are with public provide openings through which air can flow in and out. These openings are like this designed that the bricks can be laid using conventional technology and so on ge inaccuracies, e.g. B. the distances between the roof battens, compensated and gap losses be minimized. The warm air is arranged by an end brick near the ridge Neten heat exchanger supplied. Thermal insulation underneath the hollow tiles proves itself as appropriate.

Auch bei dieser Konstruktion kann eine Strahlungsplatte im Inneren der Hohlziegel analog der Variante 1 angeordnet werden. In diesem Fall wird die untere, der Sonne zugewand­ ten Seite des Innenraumes strahlungsreflektierend ausgerüstet. Dadurch kann eine weite­ re Verminderung der Energieverluste erreicht werden.With this construction too, a radiation plate inside the hollow brick can be analog Variant 1 can be arranged. In this case the lower one faces the sun th side of the interior equipped with radiation reflecting. This can be a wide one re reduction of energy losses can be achieved.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Nutzung der Sonnenenergie, dadurch gekennzeichnet, dass die sich zwischen zwei Schichten, von denen die der Sonne zugewandte strahlungsdurchlässig und die dieser gegenüberliegende strahlungsabsorbierend ist, befindliche Luft erwärmt und diese unter Nutzung des natürlichen Auftriebes einer Vorrichtung zur Wärmenutzung zugeführt wird ("Heißluft-Solardach").1. A device for using solar energy, characterized in that the air located between two layers, of which the radiation-facing sun is transparent and the opposite one is radiation-absorbing, is heated and this is fed to a device for heat use using the natural buoyancy (" hot air solar roof "). 2. Vorrichtung zur Nutzung der Sonnenenergie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Schichten aus Dachziegeln bestehen, von denen die oberen, der Sonne zugewandten, Glas-Dachziegel und die darunter be­ findlichen konventionelle oder Glas-Dachziegel mit strahlungsabsorbierender Ober­ fläche sind.2. Device for using solar energy according to claim 1, characterized in that the two layers consist of roof tiles, from those of the upper, sun-facing glass roof tiles and those below sensitive conventional or glass roof tiles with radiation-absorbing upper are area. 3. Vorrichtung zur Nutzung der Sonnenenergie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Schichten mittels sepa­ rater oder mit den Elementen der Schichten bzw. Glas-Dachziegeln verbundener Abstandshalter eingestellt wird.3. Device for using solar energy according to claim 1, characterized in that the distance between the layers by means of sepa rater or connected to the elements of the layers or glass roof tiles Spacer is adjusted. 4. Vorrichtung zur Nutzung der Sonnenenergie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die obere und untere Schicht Bestandteile eines speziellen Ziegels, vorzugsweise eines Glas-Hohlziegels, sind.4. Device for using solar energy according to claim 1, characterized in that the upper and lower layers are components of a special brick, preferably a hollow glass brick. 5. Vorrichtung zur Nutzung der Sonnenenergie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgra­ des Oberflächenbehandlungen oder Beschichtungen oder beides der Glas-Dach­ ziegel nach Anspruch 2 vorgenommen werden.5. Device for using solar energy according to claim 1, characterized in that to improve the thermal efficiency of surface treatments or coatings or both the glass roof Brick can be made according to claim 2. 6. Vorrichtung zur Nutzung der Sonnenenergie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die beiden Schichten eine strahlungs­ absorbierende Platte eingefügt wird, die beidseitig von Luft umströmt wird.6. Device for using solar energy according to claim 1, characterized in that between the two layers there is a radiation absorbing plate is inserted, which is surrounded by air on both sides. 7. Vorrichtung zur Nutzung der Sonnenenergie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Aufbau gemäß Anspruch 6 die untere Schicht auf der der zur erwärmenden Luft zugewandten Seite strahlungsreflektierend ausgebildet wird. 7. Device for using solar energy according to claim 1, characterized in that in a structure according to claim 6, the lower Layer on the side facing the warming air reflecting radiation is trained.   8. Vorrichtung zur Nutzung der Sonnenenergie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsabsorbierende Schicht als photovol­ taische Schicht ausgebildet und dadurch gleichzeitig zur Umwandlung der solaren Strahlungsenergie in elektrische Energie und in Wärme genutzt wird.8. Device for using solar energy according to claim 1, characterized in that the radiation absorbing layer as a photovol taische layer formed and thereby at the same time to convert the solar Radiation energy is used in electrical energy and in heat. 9. Vorrichtung zur Nutzung der Sonnenenergie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den beiden Schichten liegenden Oberflächen selbstgängig periodisch gereinigt werden, um den Wirkungsgrad zu erhalten.9. Device for using solar energy according to claim 1, characterized in that the lying between the two layers Surfaces are periodically cleaned automatically to increase efficiency receive. 10. Vorrichtung zur Nutzung der Sonnenenergie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung nach Anspruch 9 selbstgängig mit­ tels ablaufender Flüssigkeit erfolgt, der reinigungsaktive Stoffe zugesetzt sein kön­ nen.10. Device for using solar energy according to claim 1, characterized in that the cleaning according to claim 9 with tels flowing liquid, which can be added to cleaning-active substances NEN.
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