DE102009023512B4

DE102009023512B4 - Solar collector for the generation of heat and electrical energy

Info

Publication number: DE102009023512B4
Application number: DE102009023512.4A
Authority: DE
Inventors: Kilian Saueressig
Original assignee: Devine & Co KG GmbH
Current assignee: Devine & Co KG GmbH
Priority date: 2009-05-30
Filing date: 2009-05-30
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2029-05-31
Also published as: DE102009023512A1

Abstract

Solarkollektor, der aufweist:- eine Strömungskammer (1) mit einer Strömungskammerwand (2) zur Aufnahme eines fluiden absorbierenden Mediums (3); und- ein fluides absorbierendes Medium (3) zur Umwandlung solarer Strahlungsenergie in Wärmeenergie, das Absorptionskeime (4) aufweist, wobeidas fluide absorbierende Medium (3) zumindest 90 % der durch die Strömungskammerwand (2) transmittierten Strahlungsenergie absorbiert und zugleich für den Wärmetransport aus der Kammer (1) heraus und hinein bewegbar ist,wobei die Strömungskammerwand (2) an der dem fluiden absorbierenden Medium (3) zugewandten Innenseite eine Beschichtung mit einem ein Halbleitermaterial aufweisenden absorbierenden Material (5) zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie aufweist, wobei eine Grenzschicht zwischen der Strömungskammerwand (2) und dem absorbierenden Material (5) ausgebildet ist,dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskammerwand (2) sowohl an der Außenseite als auch an der Innenseite einer einer solaren Strahlungsquelle zugewandten Kammerwandseite ein reflexionsminderndes Profil (10) aufweist, wobei das absorbierende Material (5) konform an das Profil (10) der Strömungskammerwand (2) angepasst ist und eine Struktur der Strömungskammerwand (2) abbildet.A solar collector which has: a flow chamber (1) with a flow chamber wall (2) for receiving a fluid absorbing medium (3); and- a fluid absorbing medium (3) for converting solar radiation energy into thermal energy, which has absorption nuclei (4), whereby the fluid absorbing medium (3) absorbs at least 90% of the radiation energy transmitted through the flow chamber wall (2) and at the same time for the heat transport from the Chamber (1) is movable out and in, wherein the flow chamber wall (2) on the inside facing the fluid absorbent medium (3) has a coating with an absorbent material (5) comprising a semiconductor material for converting radiant energy into electrical energy, wherein a Boundary layer is formed between the flow chamber wall (2) and the absorbent material (5), characterized in that the flow chamber wall (2) has a reflection-reducing profile (10) both on the outside and on the inside of a chamber wall side facing a solar radiation source, wherein the absorbent material (5) conf orm is adapted to the profile (10) of the flow chamber wall (2) and depicts a structure of the flow chamber wall (2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Solarkollektor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Solarkollektor ist aus der JP H10-205889 A bekannt. Einen ähnlichen Solarkollektor zeigt auch die DE 200 06 579 U1 .The invention relates to a solar collector according to the preamble of claim 1. Such a solar collector is from JP H10-205889 A known. The also shows a similar solar collector DE 200 06 579 U1 .

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl verschiedener Solarkollektoren, häufig auch Sonnenkollektoren genannt, bekannt. Zentraler Bestandteil sämtlicher Systeme ist ein Solarabsorber, der die Lichtenergie der Sonne absorbiert und in Wärme umwandelt. Dabei ist der Solarabsorber häufig in Form eines Festkörpers verwirklicht, der mit einem wärmegedämmten, von einem Fluid durchströmten Strömungskörper in Kontakt steht. In Abhängigkeit der verwendeten Dämmtechnik unterscheidet man zwischen Flachkollektoren, die ein festes Dämmmaterial verwenden, Vakuumröhrenkollektoren, bei denen die Dämmung mit Hilfe eines Vakuums erreicht wird, Vakuum-Flachkollektoren, die sich durch eine flache Bauform und damit ein verbessertes Brutto-Netto-Flächenverhältnis auszeichnen und ebenfalls vakuumgedämmt sind, und Einfachabsorbern, die häufig lediglich aus einem Kunststoffkörper bestehen und keine zusätzliche Wärmedämmung aufweisen. Die am weitesten entwickelten derzeit auf dem Markt erhältlichen Kollektoren weisen typischerweise einen Wirkungsgrad zwischen 60 und 75 % auf.A large number of different solar collectors, often also called solar collectors, are known from the prior art. The central component of all systems is a solar absorber, which absorbs the light energy of the sun and converts it into heat. The solar absorber is often realized in the form of a solid body which is in contact with a heat-insulated flow body through which a fluid flows. Depending on the insulation technology used, a distinction is made between flat-plate collectors that use a solid insulation material, vacuum tube collectors in which insulation is achieved with the aid of a vacuum, flat-plate vacuum collectors that are characterized by a flat design and thus an improved gross-net area ratio are also vacuum-insulated, and single absorbers, which often consist only of a plastic body and have no additional thermal insulation. The most advanced collectors currently available on the market typically have an efficiency of between 60 and 75%.

Ausgehend von der vorgenannten Einteilung betrifft die vorliegende Erfindung somit speziell die Weiterentwicklung eines Solarkollektors, der nach dem Flachkollektorprinzip funktioniert. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Flachkollektoren fällt die solare Strahlung auf einen Solarabsorber, welcher vorzugsweise derart ausgewählt ist, dass er im gesamten Spektralbereich des einfallenden Lichts absorbierend wirkt. In Folge der Solarabsorption erwärmt sich der Absorber. Damit die dabei frei werdende Wärme nicht verloren geht, ist der Solarabsorber von allen Seiten wärmegedämmt, wobei die Wärmedämmung zumindest an der Seite des Absorbers, die der Sonne zugewandt ist, transparent ausgeführt ist. Häufig wird dies mit Hilfe einer Glasabdeckung realisiert, wobei zur Wärmedämmung zwischen dem Absorber und der Glasabdeckung eine Gas- oder Vakuumschicht vorgesehen ist. Andererseits kann auch die Wärme, die aufgrund der Eigentemperatur des Absorbers von diesem durch Emission wieder abgestrahlt wird, größtenteils durch die Glasscheibe selbst zurückgehalten werden, da Glas aufgrund seiner wellenlängenselektiven Transparenz für größere Wellenlängen, wie etwa Wärmestrahlung, nicht vollständig transparent ist. Die Wärmedämmung der Glasscheibe kann darüber hinaus mit Hilfe geeigneter Beschichtungen auf der Innenseite der Glasscheibe verbessert werden.Based on the above classification, the present invention thus relates specifically to the further development of a solar collector that works on the flat-collector principle. In the flat collectors known from the prior art, the solar radiation falls on a solar absorber, which is preferably selected such that it has an absorbing effect in the entire spectral range of the incident light. The absorber heats up as a result of solar absorption. So that the heat released in the process is not lost, the solar absorber is insulated from all sides, the thermal insulation being transparent, at least on the side of the absorber facing the sun. This is often realized with the help of a glass cover, a gas or vacuum layer being provided between the absorber and the glass cover for thermal insulation. On the other hand, the heat, which is emitted by the absorber due to its own temperature by emission, can be largely retained by the glass pane itself, since glass is not completely transparent to longer wavelengths, such as heat radiation, due to its wavelength-selective transparency. The thermal insulation of the glass pane can also be improved with the aid of suitable coatings on the inside of the glass pane.

Der erhitzte Absorber überträgt die Wärme auf fest mit diesem verbundene Kupfer- oder Aluminiumrohre bzw. ein darin enthaltenes fluides Medium, häufig Wärmeträgerflüssigkeit genannt. Mit Hilfe des fluiden Mediums kann die aufgenommene Wärmemenge aus dem Solarkollektor bewegt und mit Hilfe eines Wärmetauschers nutzbar gemacht werden.The heated absorber transfers the heat to copper or aluminum pipes or a fluid medium contained therein, often referred to as heat transfer fluid. With the help of the fluid medium, the amount of heat absorbed can be moved out of the solar collector and made usable with the aid of a heat exchanger.

Häufig bestehen die in Sonnenkollektoren verwendeten Solarabsorber aus Absorberblechen aus Aluminium oder Kupfer. Dabei wird in der Regel die Lichtabsorption mit Hilfe einer selektiven Beschichtung zusätzlich unterstützt. Die Wärmeübertragung von den Absorberblechen zu dem fluiden Absorbermedium erfolgt mittels Wärmeleitung zwischen den Absorberblechen und den unmittelbar mit diesen in thermischem Kontakt stehenden Rohren, durch welche das fluide Medium geleitet wird.The solar absorbers used in solar collectors often consist of aluminum or copper absorber sheets. As a rule, the light absorption is additionally supported with the help of a selective coating. The heat transfer from the absorber plates to the fluid absorber medium takes place by means of heat conduction between the absorber plates and the pipes which are in direct thermal contact with them and through which the fluid medium is guided.

Es ist somit ersichtlich, dass bei aus dem Stand der Technik bekannten Systemen zumindest zwei Wärmeübergänge notwendig sind, bis die gewonnene Wärme nutzbar gemacht worden ist. Der erste Wärmeübergang findet zwischen dem Absorbermaterial bzw. den Absorberblechen und der Absorberflüssigkeit innerhalb des Solarkollektors statt, und der zweite Wärmeübergang über einen Wärmetauscher zwischen dem Absorberfluid und einem Wärmeverbraucher.It can thus be seen that in systems known from the prior art at least two heat transfers are necessary until the heat obtained can be used. The first heat transfer takes place between the absorber material or sheets and the absorber liquid within the solar collector, and the second heat transfer takes place via a heat exchanger between the absorber fluid and a heat consumer.

Die DE 200 06 579 U1 offenbart einen Solarkollektor, der aufgrund hoher Streuungsverluste eine geringe Effizienz bei der Umwandlung von Solarenergie in elektrische und/oder Wärmeenergie aufweist.The DE 200 06 579 U1 discloses a solar collector that has a low efficiency in converting solar energy into electrical and / or thermal energy due to high leakage losses.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Solarkollektor der eingangs beschriebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass er sowohl hinsichtlich der Gewinnung von Wärmeenergie als auch hinsichtlich der Gewinnung von elektrischer Energie aus Solarenergie optimiert ist.It is therefore the object of the invention to further develop a solar collector of the type described in the introduction in such a way that it is optimized both with regard to the production of thermal energy and with regard to the production of electrical energy from solar energy.

Diese Aufgabe wird durch einen Solarkollektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen jeweils vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung.This object is achieved by a solar collector with the features of claim 1. The dependent claims relate to advantageous embodiments of the invention.

Der erfindungsgemäße Solarkollektor kommt ohne den Einsatz metallischer Wärmeleiter aus, besitzt also keinen Solarabsorber im klassischen Sinne. Vielmehr dient das fluide Medium selbst zur Solarstrahlungsabsorption und Wärmeumwandlung sowie zum Wärmetransport, wodurch es sich in seiner Funktion wesentlich von den bekannten Systemen unterscheidet.The solar collector according to the invention does not require the use of metallic heat conductors, so it does not have a solar absorber in the classic sense. Rather, the fluid medium itself serves for solar radiation absorption and heat conversion as well as for heat transport, whereby its function differs significantly from that of the known systems.

Die Strömungskammerwand sollte, wie auch bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kollektoren, in einem hohen Maße wärmedämmend ausgestaltet sein, um die in die Umgebung freigesetzte Wärmemenge gering zu halten und somit eine höchstmögliche Wärmeausbeute zu ermöglichen. Das fluide Medium kann Wasser, ein Wasser-Propylenglykol-Gemisch, ein synthetisches oder organisches Öl, etwa Silikonöl, oder auch eine Kochsalzlösung aufweisen oder auf einer dieser oder mehreren Substanzen basieren.The flow chamber wall should, as with the collectors known from the prior art, be designed to a high degree of thermal insulation, in order to protect the environment to keep the amount of heat released low and thus to enable the highest possible heat yield. The fluid medium can comprise water, a water-propylene glycol mixture, a synthetic or organic oil, for example silicone oil, or also a saline solution or be based on one or more substances.

Zur Erhöhung der Absorptionsfähigkeit des fluiden Mediums ist vorgesehen, dass dieses Absorptionskeime aufweist, wie etwa Rußpartikel, anorganische und/oder organische Farbstoffe, Tixotropierungsmittel, monokristallines, polykristallines oder amorphes Silizium, Galliumarsenid (GaAs), Cadmiumtellurid (CdTe) oder ein Gemisch dieser.To increase the absorption capacity of the fluid medium, it is provided that it has absorption nuclei, such as soot particles, inorganic and / or organic dyes, tixotropic agents, monocrystalline, polycrystalline or amorphous silicon, gallium arsenide (GaAs), cadmium telluride (CdTe) or a mixture of these.

Die Strömungskammerwand weist an der dem absorbierenden Medium zugewandten Seite ein absorbierendes Material zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie auf. Bei diesem Material handelt es sich um ein in der Fotovoltaik bewährtes Halbleitermaterial, wie CdTe-, GaAs-, oder siliziumbasierten Dünnschicht- oder Dickschichtzellen. Vorzugsweise ist dabei das absorbierende Material durch eine Schutzschicht von dem absorbierenden Medium abgetrennt, um eine ungewollte Wechselwirkung beider Substanzen miteinander und damit die Beeinträchtigung eines oder beider Materialien zu vermeiden. Besonders bevorzugt enthält die Schutzschicht ein in der Solartechnik bewährtes Metalloxid.The flow chamber wall has an absorbent material on the side facing the absorbing medium for converting radiation energy into electrical energy. This material is a semiconductor material that has proven itself in photovoltaics, such as CdTe, GaAs, or silicon-based thin-film or thick-film cells. The absorbent material is preferably separated from the absorbent medium by a protective layer in order to avoid an undesired interaction of the two substances with one another and thus to avoid impairment of one or both materials. The protective layer particularly preferably contains a metal oxide which has been tried and tested in solar technology.

Der Solarkollektor, der das absorbierende Material zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass die nicht in dem absorbierenden Material absorbierte Strahlungsenergie an das fluide absorbierende Medium weitergegeben wird. Dies ist am Einfachsten dadurch zu erreichen, dass das absorbierende Material an der Innenseite derjenigen Kammerwand angeordnet ist, die der Sonne zugewandt ist, so dass das einfallende Licht in Propagationsrichtung zunächst auf das absorbierende Material trifft und somit dort nicht absorbiertes und nicht reflektiertes Licht sowie eventuell entstehende Wärmeenergie unmittelbar an das fluide absorbierende Medium abgegeben werden können.The solar collector, which has the absorbing material for converting radiation energy into electrical energy, is characterized in that the radiation energy not absorbed in the absorbing material is passed on to the fluid-absorbing medium. The easiest way to achieve this is to arrange the absorbent material on the inside of the chamber wall that faces the sun, so that the incident light in the direction of propagation first hits the absorbent material and thus there is light that is not absorbed and not reflected, and possibly generated thermal energy can be given directly to the fluid absorbing medium.

Zur weiteren Optimierung weist die Strömungskammer zumindest an einer der Strahlungsquelle zugewandten Kammerwandseite ein reflexionsminderndes Profil auf. Dies ist im einfachsten Fall eine angeraute Kammerwandoberfläche, beispielsweise eine geätzte Glasfläche. Es sind jedoch auch sämtliche Profile geeignet, die bewirken, dass ein Großteil des an der entsprechenden Kammerwand erstmalig reflektierten Lichtes in eine Richtung reflektiert wird, in der es zumindest ein weiteres Mal auf ein Profilelement derselben Oberfläche trifft. Die Optimierung der Lichteinkopplung folgt somit im Zuge von Mehrfachreflexionen. Besonders bevorzugt ist das reflexionsmindernde Profil aus einem wärmedämmenden und die Transmission erhöhenden Material gefertigt. Dazu ist es zweckmäßig, dass es porös ist oder eine Vielzahl evakuierter oder gasgefüllter Hohlräume aufweist.For further optimization, the flow chamber has a reflection-reducing profile on at least one side of the chamber wall facing the radiation source. In the simplest case, this is a roughened chamber wall surface, for example an etched glass surface. However, all profiles are also suitable which have the effect that a large part of the light reflected for the first time on the corresponding chamber wall is reflected in a direction in which it strikes a profile element of the same surface at least one more time. The optimization of the light coupling thus follows in the course of multiple reflections. The reflection-reducing profile is particularly preferably made of a heat-insulating and transmission-increasing material. For this purpose, it is expedient that it is porous or has a large number of evacuated or gas-filled cavities.

Die Kammerwand des erfindungsgemäßen Solarkollektors weist sowohl an der Außenseite als auch an der Innenseite der der Solarstrahlungsquelle zugewandten Kammerwandseite ein reflexionsminderndes Profil auf. Dabei ist vorgesehen, dass auch ein an der Innenseite der Strömungskammerwand angebrachtes absorbierendes Material zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie ein reflexionsminderndes Profil aufweist. Zur Regulierung des Strahlungsdurchgangs zu dem absorbierenden Medium kann vorgesehen sein, dass das absorbierende Material zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie Aussparungen aufweist.The chamber wall of the solar collector according to the invention has a reflection-reducing profile both on the outside and on the inside of the chamber wall side facing the solar radiation source. It is provided that an absorbent material attached to the inside of the flow chamber wall for converting radiation energy into electrical energy also has a reflection-reducing profile. To regulate the passage of radiation to the absorbent medium, it can be provided that the absorbent material has cutouts for converting radiation energy into electrical energy.

Zur Vermeidung laminarer Strömung innerhalb der Strömungskammer, welche für die Wärmeübertragung bzw. Wärmeeinkopplung in das fluide Medium weniger geeignet ist, sieht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vor, dass die Strömungskammer Leitstrukturen einschließt. Besonders bevorzugt sind die Leitstrukturen derart angeordnet, dass sie den Fluidstrom an der der Strahlungsquelle abgewandten Kammerwandseite hemmen und somit an der der Strahlungsquelle zugewandten Kammerwandseite eine vergleichsweise höhere Fluidströmungsgeschwindigkeit ermöglichen. Der Fachmann erkennt unmittelbar, dass eine solche Anordnung zum einen für eine weitestgehend turbulente Strömung innerhalb der Strömungskammer sorgt und andererseits gewährleistet, dass in den Bereichen der Strömungskammer bzw. denjenigen Mediumschichten, in denen systembedingt eine verstärkte Strahlungsabsorption stattfindet, eine höhere Fluidströmungsgeschwindigkeit und damit eine höhere Austauschrate des absorbierenden Mediums vorliegt.In order to avoid laminar flow within the flow chamber, which is less suitable for heat transfer or heat coupling into the fluid medium, a preferred embodiment of the invention provides that the flow chamber includes guide structures. The guide structures are particularly preferably arranged such that they inhibit the fluid flow on the chamber wall side facing away from the radiation source and thus enable a comparatively higher fluid flow rate on the chamber wall side facing the radiation source. The person skilled in the art immediately recognizes that such an arrangement on the one hand ensures a largely turbulent flow within the flow chamber and on the other hand ensures that in the areas of the flow chamber or in those medium layers in which increased radiation absorption takes place due to the system, a higher fluid flow rate and thus a higher Exchange rate of the absorbing medium is present.

Erfindungsgemäße Kollektoren lassen sich im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten effizienter und ökonomischer herstellen, da sie im Wesentlichen aus lediglich einem oder zwei Bauteilen, die sich beispielsweise in konventionellen Spritzgussanlagen herstellen lassen, bestehen. Auch die Realisierung des Absorptionsmedium ist, wie beschrieben, bereits mit Hilfe einfachster Substanzen, wie Wasser oder Ölen, möglich, die zum Zwecke der Optimierung der Absorptionsfähigkeit mit Absorptionskeimen versetzt sind, sofern sie nicht selbst über eine ausreichende Absorptionsfähigkeit verfügen.Collectors according to the invention can be produced more efficiently and economically compared to those known from the prior art, since they essentially consist of only one or two components, which can be produced, for example, in conventional injection molding systems. As described, it is also possible to implement the absorption medium with the aid of the simplest substances, such as water or oils, which are mixed with absorption nuclei for the purpose of optimizing the absorption capacity, provided that they do not themselves have sufficient absorption capacity.

Der Herstellprozess der Solarkollektoren ist im Hinblick auf Formgebung und farbliche Gestaltung nahezu beliebig variabel. So können zahlreiche und unterschiedlichste Materialien zum Einsatz gebracht werden, die die Gestaltung der Solarkollektoren auch mit Bezug auf das bevorzugte Fertigungsverfahren sowie die farbliche sowie formgebende Gestaltung frei wählbar machen. So können beispielsweise Elastomere, Thermoplaste, Duromere sowie Schäume dieser, als auch kompakte Materialen zum Einsatz gebracht werden, die die Herstellung flexibler, d. h. zerstörungsfrei frei verformbarer Solarkollektoren jeglicher Farbgebung ermöglichen.The manufacturing process of the solar collectors is almost arbitrarily variable in terms of shape and color. This means that numerous and diverse materials can be used are brought, which make the design of the solar collectors with reference to the preferred manufacturing process and the color and shape design freely selectable. For example, elastomers, thermoplastics, thermosets and foams of these, as well as compact materials, can be used, which enable the production of flexible, ie non-destructively deformable, solar collectors of any color.

Die Solarkollektoren können somit in einem preisgünstigen Massenfertigungsverfahren, wie dem Spritzguss-, dem Folienprägungs- oder dem RIM-Gießverfahren unter nur geringem Rohstoffeinsatz hergestellt werden. Da auf die Verwendung von metallischen Absorberblechen verzichtet werden kann, ermöglicht die vorliegende Erfindung auch auf den Einsatz teurer und schwerer metallischer Werkstoffe zu verzichten oder zumindest drastisch zu reduzieren.The solar collectors can thus be manufactured in an inexpensive mass production process, such as the injection molding, the foil stamping or the RIM casting process, using only a small amount of raw materials. Since the use of metallic absorber sheets can be dispensed with, the present invention also makes it possible to dispense with the use of expensive and heavy metallic materials, or at least to drastically reduce them.

Durch den hohen Freiheitsgrad bei der Wahl der formgebenden Verfahren und der Werkstoffauswahl kann der Kollektor vom Design und vom Wirkungsgrad optimal gestaltet werden. Die bestmögliche Ausnutzung der solaren Strahlung wird dabei im Wesentlichen nur noch über die optimale Konfiguration der drei Wirkprinzipien Absorption, Transmission und Reflexion des Kollektors erzielt.Due to the high degree of freedom in the choice of shaping processes and the choice of materials, the collector can be optimally designed in terms of design and efficiency. The best possible use of solar radiation is essentially only achieved through the optimal configuration of the three operating principles of absorption, transmission and reflection of the collector.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.Further details of the invention are described in the drawing using schematically illustrated exemplary embodiments.

Hierbei zeigt:

1 einen nicht erfindungsgemäßen Solarkollektor im Querschnitt senkrecht zur Fluidströmungsrichtung;
2 den Solarkollektor aus 1, der zusätzlich ein absorbierendes Material zur Gewinnung elektrischer Energie aufweist;
3 einen nicht erfindungsgemäßen Solarkollektor im Querschnitt parallel zur Fluidströmungsrichtung, mit einer profilierten Strömungskammerwand; und
4 einen erfindungsgemäßen Solarkollektor mit einer beidseitig profilierten Strömungskammerwand sowie absorbierendem Material zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie.

Here shows:

1 a solar collector not according to the invention in cross section perpendicular to the direction of fluid flow;
2nd the solar collector 1 , which additionally has an absorbent material for obtaining electrical energy;
3rd a solar collector not according to the invention in cross section parallel to the direction of fluid flow, with a profiled flow chamber wall; and
4th a solar collector according to the invention with a flow chamber wall profiled on both sides and absorbent material for converting radiation energy into electrical energy.

1 zeigt einen nicht erfindungsgemäßen Solarkollektor mit einer Strömungskammer 1, die eine Strömungskammerwand 2 aufweist und ein fluides absorbierendes Medium 3 zur Umwandlung solarer Strahlungsenergie in Wärmeenergie einschließt. Der Solarkollektor ist im Querschnitt gezeigt, wobei die Fluidströmungsrichtung senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Die eingezeichneten Pfeile symbolisieren die Wechselwirkung der solaren Strahlung mit dem Solarkollektor. Die solare Strahlung wird zum Teil an der Oberfläche der Strömungskammer 1 reflektiert, in der Kammerwand 2 absorbiert, durch diese in das fluide Medium 3 transmittiert, und dort absorbiert. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Absorptionsrate des fluiden Mediums 3 derart gewählt, dass sie mehr als 90 % beträgt mit Bezug auf die eintreffende Strahlung. 1 shows a solar collector not according to the invention with a flow chamber 1 that have a flow chamber wall 2nd has and a fluid absorbing medium 3rd for converting solar radiation energy into thermal energy. The solar collector is shown in cross section, the direction of fluid flow being perpendicular to the plane of the drawing. The arrows symbolize the interaction of the solar radiation with the solar collector. The solar radiation is partly on the surface of the flow chamber 1 reflected in the chamber wall 2nd absorbed by this into the fluid medium 3rd transmitted, and absorbed there. In the illustrated embodiment, the rate of absorption of the fluid medium 3rd chosen such that it is more than 90% with respect to the incoming radiation.

Die Materialien der Strömungskammer 1 sind durch eine hohe Transmission und eine geringe Absorption bezüglich der solaren Strahlung gekennzeichnet und verfügen darüber hinaus über eine gute Wärmedämmung. Durch die zu einem großen Teil in dem fluiden Medium 3 stattfindende Absorption der Solarenergie reduziert sich die Anzahl der Wärmedurch- und Wärmeübergänge im Vergleich zu herkömmlichen thermischen Solarkollektoren.The materials of the flow chamber 1 are characterized by high transmission and low absorption with respect to solar radiation and also have good thermal insulation. Due to the large part in the fluid medium 3rd absorption of solar energy reduces the number of heat transitions and heat transfers compared to conventional thermal solar collectors.

2 zeigt einen Solarkollektor gemäß 1, der zusätzlich an der dem fluiden Medium 3 zugewandten Oberfläche der der Sonne zugewandten Strömungskammerwand 2 eine Beschichtung mit einem absorbierenden Material 5 zur Umwandlung solarer Strahlungsenergie in elektrische Energie aufweist. Bei der dargestellten Ausführungsform ergeben sich folgende Wechselwirkungen der einfallenden solaren Strahlung mit dem Solarkollektor. Ein Teil der eintreffenden Strahlung wird wiederum an der Oberfläche der Strömungskammer 1 reflektiert, ein Teil absorbiert und ein Teil in das absorbierende Material 5 transmittiert. Ein weiterer Teil wird an der Grenzschicht zwischen Kammerwand 2 und dem absorbierenden Material 5 reflektiert. Derjenige Anteil der eintreffenden solaren Strahlung, der nicht in dem absorbierenden Material 5 in elektrische Energie umgewandelt wird, wird in das fluide Medium 3 transmittiert bzw. reflektiert. Der transmittierte Anteil wird in dem fluiden Medium 3 weitestgehend vollständig absorbiert. Die in dem absorbierenden Material 5 absorbierte Energie wird direkt in elektrische Energie umgewandelt. Der Anteil der von dem absorbierenden Material 5 absorbierten Energie, der nicht direkt in elektrische Energie umgewandelt werden kann, wird in Form von Wärme an das fluide Medium 3 abgegeben. Zur Vermeidung von Wechselwirkungen zwischen dem fluiden Medium 3 und dem absorbierenden Material 5 ist das absorbierende Material 5 mit einer Schutzschicht 6 versehen. 2nd shows a solar collector according to 1 , which is in addition to that of the fluid medium 3rd facing surface of the flow chamber wall facing the sun 2nd a coating with an absorbent material 5 for converting solar radiation energy into electrical energy. In the embodiment shown, the following interactions of the incident solar radiation with the solar collector result. Part of the incoming radiation is in turn on the surface of the flow chamber 1 reflected, part absorbed and part absorbed into the material 5 transmitted. Another part is at the boundary layer between the chamber wall 2nd and the absorbent material 5 reflected. That portion of the incoming solar radiation that is not in the absorbent material 5 is converted into electrical energy, into the fluid medium 3rd transmitted or reflected. The transmitted portion is in the fluid medium 3rd largely completely absorbed. The in the absorbent material 5 absorbed energy is converted directly into electrical energy. The percentage of the absorbent material 5 absorbed energy, which cannot be converted directly into electrical energy, is in the form of heat to the fluid medium 3rd submitted. To avoid interactions between the fluid medium 3rd and the absorbent material 5 is the absorbent material 5 with a protective layer 6 Mistake.

3 zeigt eine Ausgestaltungsmöglichkeit der sonnenzugewandten Strömungskammerwandoberfläche zur Maximierung der Absorptionsrate der einfallenden Strahlungsenergie und zur Erhöhung der Wärmedämmung sowie des Wärmeübergangs. Die dargestellte Strömungskammer 1 ist zur Reduktion von Reflexionen als Strahlenfalle mit einem Profil 10 versehen. Der Anteil der reflektierten Strahlung kann somit reduziert werden. Die einfallende Strahlung, die nicht sofort transmittiert bzw. absorbiert wird, wird somit mehrmals innerhalb des Profils reflektiert, woraus eine erhöhte Transmission folgt. Die an dem absorbierenden Material 5 entstehende Wärme, die nicht transmittiert wird, wird durch eine hohe relative Strömungsgeschwindigkeit nahe dem absorbierenden Material 5 mittels Wärmeleitung in das fluide Medium 3 übertragen. Dieser Effekt wird durch speziell geformte Leitstrukturen 11 erzielt. Hohlräume in dem Profil 10, die evakuiert oder mit einem Gas gefüllt sein können, dienen zur besseren Wärmedämmung, zur Erhöhung der Verwindungssteifigkeit und zur Maximierung der Transmissionsrate. 3rd shows a design option of the sun facing flow chamber wall surface to maximize the absorption rate of the incident radiation energy and to increase the thermal insulation and heat transfer. The flow chamber shown 1 is for reducing reflections as a beam trap with a profile 10th Mistake. The proportion of reflected radiation can thus be reduced. The incident radiation, which is not immediately transmitted or absorbed, is thus reflected several times within the profile, which results in increased transmission. The on the absorbent material 5 resulting heat, which is not transmitted, is due to a high relative flow rate near the absorbent material 5 by means of heat conduction into the fluid medium 3rd transfer. This effect is achieved through specially shaped lead structures 11 achieved. Voids in the profile 10th , which can be evacuated or filled with a gas, serve to improve thermal insulation, increase torsional rigidity and maximize the transmission rate.

Bei dem in 4 dargestellten erfindungsgemäßen Solarkollektor weist die der Sonne zugewandte Strömungskammerwand 2 in Weiterentwicklung der Ausführungsform gemäß 3 auch auf ihrer dem fluiden Medium 3 zugewandten Oberfläche ebenfalls ein Profil 10 auf. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das absorbierende Material 5 zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie konform an das Profil der Strömungskammerwand 2 angepasst und bildet eine entsprechende Struktur ab. Zur Erhöhung der Transmissionsrate der einfallenden solaren Strahlung in das fluide Medium 3 ist das absorbierende Material 5 mit Aussparungen 12 versehen.At the in 4th The solar collector according to the invention shown has the flow chamber wall facing the sun 2nd in further development according to the embodiment 3rd also on their the fluid medium 3rd facing surface also a profile 10th on. In the illustrated embodiment, the absorbent material is 5 for converting radiation energy into electrical energy conforming to the profile of the flow chamber wall 2nd adapted and maps a corresponding structure. To increase the transmission rate of the incident solar radiation into the fluid medium 3rd is the absorbent material 5 with cutouts 12th Mistake.

Claims

Solarkollektor, der aufweist: - eine Strömungskammer (1) mit einer Strömungskammerwand (2) zur Aufnahme eines fluiden absorbierenden Mediums (3); und - ein fluides absorbierendes Medium (3) zur Umwandlung solarer Strahlungsenergie in Wärmeenergie, das Absorptionskeime (4) aufweist, wobei das fluide absorbierende Medium (3) zumindest 90 % der durch die Strömungskammerwand (2) transmittierten Strahlungsenergie absorbiert und zugleich für den Wärmetransport aus der Kammer (1) heraus und hinein bewegbar ist, wobei die Strömungskammerwand (2) an der dem fluiden absorbierenden Medium (3) zugewandten Innenseite eine Beschichtung mit einem ein Halbleitermaterial aufweisenden absorbierenden Material (5) zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie aufweist, wobei eine Grenzschicht zwischen der Strömungskammerwand (2) und dem absorbierenden Material (5) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskammerwand (2) sowohl an der Außenseite als auch an der Innenseite einer einer solaren Strahlungsquelle zugewandten Kammerwandseite ein reflexionsminderndes Profil (10) aufweist, wobei das absorbierende Material (5) konform an das Profil (10) der Strömungskammerwand (2) angepasst ist und eine Struktur der Strömungskammerwand (2) abbildet.Solar collector comprising: - a flow chamber (1) with a flow chamber wall (2) for receiving a fluid-absorbing medium (3); and - a fluid absorbing medium (3) for converting solar radiation energy into thermal energy, which has absorption nuclei (4), the fluid absorbing medium (3) absorbing at least 90% of the radiation energy transmitted through the flow chamber wall (2) and at the same time for heat transfer The chamber (1) can be moved out and in, the flow chamber wall (2) on the inside facing the fluid absorbing medium (3) having a coating with an absorbent material (5) comprising a semiconductor material for converting radiation energy into electrical energy, wherein a boundary layer is formed between the flow chamber wall (2) and the absorbent material (5), characterized in that the flow chamber wall (2) has a reflection-reducing profile (10) both on the outside and on the inside of a chamber wall side facing a solar radiation source, the absorbent material (5) is conformally adapted to the profile (10) of the flow chamber wall (2) and shows a structure of the flow chamber wall (2).

Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das fluide absorbierende Medium (3) zumindest eines von Wasser, Öl und Kochsalzlösung umfasst.Solar collector after Claim 1 , characterized in that the fluid absorbing medium (3) comprises at least one of water, oil and saline.

Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskeime (4) zumindest eines von Rußpartikeln, Farbstoffen, Tixotropierungsmitteln, monokristallinem Silizium, polykristallinem Silizium, amorphem Silizium, GaAs und CeTd umfassen.Solar collector after Claim 1 , characterized in that the absorption nuclei (4) comprise at least one of soot particles, dyes, tixotropic agents, monocrystalline silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, GaAs and CeTd.

Solarkollektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das absorbierende Material (5) durch eine Schutzschicht (6) von dem absorbierenden Medium (3) abgetrennt ist.Solar collector according to one of the preceding claims, characterized in that the absorbent material (5) is separated from the absorbent medium (3) by a protective layer (6).

Solarkollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (6) ein Metalloxid enthält.Solar collector after Claim 4 , characterized in that the protective layer (6) contains a metal oxide.

Solarkollektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskammer (1) eine Wärmedämmung aufweist.Solar collector according to one of the preceding claims, characterized in that the flow chamber (1) has thermal insulation.

Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (10) aus einem wärmedämmenden und die Transmission solarer Strahlung erhöhenden Material gefertigt ist.Solar collector after Claim 1 , characterized in that the profile (10) is made of a heat-insulating material that increases the transmission of solar radiation.

Solarkollektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmedämmende und die Transmission solarer Strahlung erhöhende Material porös ist oder eine Vielzahl evakuierter oder gasgefüllter Hohlräume aufweist.Solar collector after Claim 7 , characterized in that the thermal insulation and the transmission of solar radiation increasing material is porous or has a plurality of evacuated or gas-filled cavities.

Solarkollektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskammer (1) Leitstrukturen (11) einschließt.Solar collector according to one of the preceding claims, characterized in that the flow chamber (1) includes guide structures (11).

Solarkollektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitstrukturen (11) den Fluidstrom an der der Strahlungsquelle abgewandten Kammerwandseite hemmen und somit an der der Strahlungsquelle zugewandten Kammerwandseite eine vergleichsweise höhere Fluidströmungsgeschwindigkeit vorliegt.Solar collector after Claim 9 , characterized in that the guide structures (11) inhibit the fluid flow on the chamber wall side facing away from the radiation source and thus there is a comparatively higher fluid flow rate on the chamber wall side facing the radiation source.

Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das absorbierende Material (5) zur Erhöhung des Strahlungsdurchgangs zu dem fluiden absorbierenden Medium (3) Aussparungen (12) aufweist.Solar collector after Claim 1 , characterized in that the absorbent material (5) has recesses (12) to increase the radiation passage to the fluid absorbent medium (3).