DE102020128039A1

DE102020128039A1 - Kollektor

Info

Publication number: DE102020128039A1
Application number: DE102020128039.4A
Authority: DE
Inventors: Holger Seidlitz; Felix Kuke; Roland Knorr
Original assignee: Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus
Current assignee: Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2022-04-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein neuartiges modulares Leichtbau-Solar-Luft-Kollektor-System für Belüftungs- und Heizungsanlagen in insbesondere monolithischer Kunststoffbauweise zur effektiven Ausnutzung der wellenlängenabhängigen Strahlungscharakteristik der Sonneneinstrahlung.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein neuartiges modulares Leichtbau-Solar-Luft-Kollektor-System für Belüftungs- und Heizungsanlagen in insbesondere monolithischer Kunststoffbauweise zur effektiven Ausnutzung der wellenlängenabhängigen Strahlungscharakteristik der Sonneneinstrahlung.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind Kollektoren aus gewichtsintensiven Materialen wie z.B. Glas, Metall und Edelstahl beschrieben.
Diese Materialien weisen eine sehr hohe Dichte auf und daher ein hohes Gesamtgewicht. Demgemäß sind auch die Solar-Luft-Kollektoren sehr schwer.
Es besteht daher im Stand der Technik ein dringendes Bedürfnis, gewichtsreduzierte Solar-Luft-Kollektoren bereitzustellen. Des Weiteren ist die Erweiterung der Systeme im Stand der Technik stark eingeschränkt, da diese meist aus einem geschlossenen Modul bestehen, weil sich das bei der Verwendung von gewichtsintensiven Materialen als vorteilhaft herausgestellt hat.
Eine Erweiterung ist bei diesen Produkten des Standes der Technik nur durch weitere komplette, aber voneinander unabhängige Module möglich.
Ein weiterer Nachteil der bisher angewendeten Materialien ist der geringe Absorptionskoeffizient µ bzw. der geringe Absorptionsgrad α der eingesetzten Materialien sowie die Schwierigkeit an älteren Gebäuden Systeme aufgrund der gewichtsintensiven Materialien nachzurüsten.
Des Weiteren sind die eingesetzten Materialien hinsichtlich ihrer charakteristischen Eigenschaften für Reflektion, Absorption und Transmission nicht einstell- oder anpassbar, wodurch eine optimale Auslegung für eine effektive Nutzung der Solarthermie nicht erreicht werden kann.
Da die verwendeten Materialien ein hohes Gewicht haben, sind die Installations- und Nachrüstungsmöglichkeiten für den Kollektor eingeschränkt. Das Problem für die Nachrüstung an älteren Gebäuden wurde im Stand der Technik dahingehend gelöst, dass die Kollektoren nicht direkt an die Wand montiert, sondern mit Hilfe von Stützstrukturen angebracht werden. Außerdem werden bei zu großer Leistungsanforderung die Kollektoren nur auf das Dach montiert, wobei aber auch hier eine Limitierung durch die zulässige Traglast des Daches gegeben ist.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung war es daher, ein System bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Gelöst wird dieses Problem vor allem durch einen Leichtbau-Solar-Luft-Kollektor, wobei der Kollektor ein Kunststoffgehäuse mit Luftkanälen aufweist und das Gehäuse eine Mehrschichtabdeckung mit einer dichroitischen Filterfunktion/einem Kaltspiegel umfasst und unterhalb der Mehrschichtabdeckung ein Absorber angeordnet ist und die Luftkanäle eine Reflektionsfolie aufweisen.
Es war völlig überraschend, dass ein Kollektor mit den genannten Merkmalen besonders gut geeignet ist, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Bei den dichroitischen Filtern handelt es sich insbesondere um Filter für die Farbtrennung, die auf dielektrischen Indifferenzen basieren.
Es sind beispielsweise farbige Filter, die die Wellenlänge einer Farbe reflektieren und alle anderen Wellenlängen nicht oder wenig reflektieren und somit passieren oder durchlassen. Bevorzugt ist es, dass die dichroitischen Filter immer nur eine Farbe aus dem Licht herausfiltern.
Im Sinne der Erfindung weisen diese Filter enge Spektraltoleranzen mit geringem optischen Absorptionsverlust auf. Dem Fachmann sind diese Filter bekannt, sodass er sie für den Einsatz an den erfindungsgemäßen Vorrichtungen für die entsprechende Funktion entsprechend adaptieren kann.
Bei dem Kunststoffgehäuse mit den erfindungsgemäßen Luftkanälen kann es sich um Gehäuse aus der Gruppe der Thermoplaste, Duroplaste oder Elastomere handeln.
Bei der Substitution von Edelstahl, Kupfer und Aluminium sind überraschend große Gewichtseinsparungen durch die Verwendung von angepassten und eigenschaftsspezifischen Kunststoff-Additiv-Kombinationen umsetzbar.
Des Weiteren sind die Strahlungscharakteristiken eingesetzten Materialien und die Absorptionseigenschaften einstellbar oder durch Zusatzstoffe kontrollierbar. Für die Verwendung eigenschaftsspezifischer Additive und Zuschlagstoffe sind die polymerbasierten Ausgangswerkstoffe hinsichtlich ihrer geforderten Eigenschaften und Werkstoffcharakteristik individuell einstellbar und für die Anforderungen flexibel anpassbar. Das bedeutet, dass folgende Eigenschaften (unter Berücksichtigung der Verarbeitbarkeit, des Additivanteils u.a. Einflussfaktoren) frei wählbar und einstellbar sind: die Strahlungscharakteristik, die Streuung, die Reflektion, die Absorption, die Adsorption, die Transmission, die Emission, die thermischen Beständigkeiten und die mechanischen Festigkeiten. Dadurch ergeben sich enorme Vorteile, da die eintreffende Strahlung quasi gefiltert wird und somit die thermische Belastung reduziert und die Absorption der thermischen Energie aus den Sonnenstrahlen enorm verbessert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse, der Absorber und/oder die Mehrschichtabdeckung die Kunststoffe Polyethylen, Polyamid oder Polykarbonat umfassen können. Bei dem Kunststoff Polyethylen kann es sich um die Varianten HD (Schwach verzweigte Polymerketten, daher hohe Dichte zwischen 0,94 g/cm³ und 0,97 g/cm³), LD (Stark verzweigte Polymerketten, Stark verzweigte Polymerketten, daher geringe Dichte zwischen 0,915 g/cm³ und 0,935 g/cm³), LLD (Lineares Polyethylen niederer Dichte, dessen Polymermoleküle nur kurze Verzweigungen aufweisen. Diese Verzweigungen werden durch Copolymerisation von Ethen und höheren α-Olefinen (typischerweise Buten, Hexen oder Octen) hergestellt) handeln.
Bei dem Kunststoff Polyamid handelt es sich bevorzugt um PA6, PA6.6 oder PA12. Es war überraschend, dass die genannten Kunststoffe besonders gut eingesetzt werden können, um einen Leichtbau-Solar-Luftkollektor bereitzustellen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kunststoff Polypropylen ist, der bevorzugt Ruß umfasst. Vorteilhaft ist es, wenn die Kombination aus Polypropylen und Ruß 50 bis 90 Gewichtsprozent Polypropylen umfasst und 10 bis 50 Gewichtsprozent Ruß.
Ruß im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein schwarzer pulverförmiger Feststoff, der bis zu 80 bis über 99 Gewichtsprozent aus Kohlenstoff bestehen kann. Erfindungsgemäß können unter Ruß auch Nebenprodukte von Verbrennungsprodukten gemeint sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass Ruß sogenannten Industrieruß meint, der häufig als Füllstoff oder Schwarzpigment verwendet wird.
Beispiele für Ruß im Sinne der Erfindung sind Glanzruß oder Kienruß. Ruß im Sinne der Erfindung kann unterschiedliche Rußqualitäten und Rußarten aufweisen. Rußarten sind beispielsweise Gasruß, Ofenruß, Flammruß, Spaltruß und/oder Acetylenruß. Dem Fachmann ist Industrieruß beispielsweise als Zusatzstoff in der Gummiproduktion oder als Schwarzpigment bei der Herstellung von Farbe bekannt. Eine bekannte Verwendung von Ruß ist der Einsatz als Füllstoffruß. Erfindungsgemäß können die folgenden Füllstoffruße verwendet werden: Super Abrasion Furnance, Intermediate S.A.F., ISAF-Low Modulus, Super Conductive Furnance, High Abrasion Furnance, HAF-Low Structure, HAF-High Structure, Fine Furnance, Extra Conductive Furnance, FEF-Low Structure, Fast Extrusion Furnance, FEF-High Structure, High Modulus Furnance, General Purpose Furnance, SRF-Low Modulus, Multi Processing Furnance, Fine Thermal und/oder Medium Thermal.
Erfindungsgemäß können diese Rußsorten besonders vorteilhaft zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt werden. Im Sinne der Erfindung sind auch weitere Materialien mit einem hohen Absorptionsgrad für Sonnenstrahlung wie z.B. Teer, Schiefer, Dachpappe o.a. denkbar.
Polypropylen im Sinne der Erfindung ist jeder durch Kettenpolymerisation von Propen hergestellte thermoplastische Kunststoff. Polypropylen kann bevorzugt unterschiedliche Kristallstrukturen aufweisen. Besonders bevorzugt sind isotaktisches Polypropylen, syndiotaktisches Polypropylen und/oder ataktisches Polypropylen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die dichroitische Filterfunktion so ausgewählt ist, dass das sichtbare Licht reflektiert und die Wärmestrahlung des Sonnenlichtes durchgelassen wird.
Die Sonnenstrahlung besteht aus unterschiedlichen Lichtstrahlen welche sich durch die jeweiligen Wellenlängen unterscheiden lassen. Im Sinne der Erfindung wird durch das spezielle Abdeckungssystem, bestehend aus mehreren einzelnen Schichten, erreicht, dass die Sonnenstrahlung gestreut und die ultravioletten Bestandteile des Sonnenlichtes reflektiert werden. Diese Funktionsweise basiert auf dem Kaltspiegelprinzip, bei dem der größte Teil des sichtbaren Lichtes reflektiert wird. Die Wärmestrahlung des Sonnenlichtes kann das erfindungsgemäße Abdeckungssystem aber passieren. Für das UV-Licht eignen sich Werkstoffe wie Aluminium oder dielektrische Schichten, wie z.B. Magnesiumfluorid und Titandioxid zur Einstellung der Reflektionseigenschaften.
Dieser Effekt lässt sich vorteilhafterweise mit weiteren Anpassungen (z.B. Oberflächenbehandlungen) verstärken oder reduzieren, je nachdem wie die Belastung des Absorbers ermittelt wird. Zur Unterstützung der Absorptionseigenschaften des Absorbers und zur Steigerung der Nutzung der thermischen Energie wird im Sinne der Erfindung bevorzugt eine Reflektionsfolie eingesetzt. Vorteilhafterweise ist es im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen, dass die Luftkanäle des Kollektors ganz oder teilweise die Reflektionsfolie so umfassen, dass die einfallenden Sonnenstrahlen in den einzelnen Luftkanälen mehrfach reflektieren und streuen.
Durch die Oberflächenbeschaffenheit einer Reflektionsfolie ist sichergestellt, dass die Sonnenstrahlung aufgebrochen und damit die Streuung weiter verbessert wird. Überraschenderweise wird hierdurch die Aufnahme der thermischen Energie durch den Absorber verbessert und die Temperaturbelastung auf das Gehäuse und das Gebäude weiter verringert.
Die Reflektionsfolie ist im Sinne der Erfindung insbesondere so ausgewählt, dass sie Materialien mit niedrigem Absorptionskoeffizienten umfasst. Bevorzugt sind beispielsweise Folien oder Beschichtungen aus Aluminium, Silber, Gold und/oder Kupfer, die bevorzugt poliert werden, da diese Folien oder Beschichtungen einen geringen Absorptionsgrad besitzen und daher einen hohen Reflektionsgrad aufweisen.
Hierdurch ist es vorteilhafterweise möglich, den erfindungsgemäßen Kollektor beispielsweise in allen industriellen Bereichen, die Solarthermie als Wärmequelle nutzen, einzusetzen. Diese Bereiche profitieren von der flexiblen, modularen und anpassbaren Leistungsdichte sowie von der neuartigen Leichtbaukonstruktion des Kollektors, welche sich insbesondere für die Nachrüstung an alten und weniger tragfähigen Gebäudemauern eignet. Es war überraschend, dass der erfindungsgemäße Kollektor eine überraschend verbesserte Leistungsdichte aufweist. Weiterhin ist es vorstellbar, dass der Kollektor Steckverbindungen aufweist, um einzelne Kollektoren miteinander zu verbinden. Bei den Steckverbindungen handelt es sich um formschlüssige Verbindungen, die beispielsweise eine Klickverbindung darstellen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden, ohne auf dieses beschränkt zu sein.
Figurenliste

Schematische Darstellung der prozentualen Gewichtreduzierung der geplanten Kunststofflösungen gegenüber den konventionellen Metallen
Absorptionsgrad verschiedener Materialien und Beschreibung der Materialbehandlungen zur Verdeutlichung der Auswirkungen auf den Absorptionsgrad [1]
Schematische Darstellung des Solar-Luft-Kollektors mit allen Komponenten sowie der Luftführung und Sonnenstrahlung
Detaillierte Darstellung des Solar-Kollektors der Firma SAILER GMBH mit allen Bestandteilen des Kollektor [2]
Gesamtansicht (links) und detaillierte Darstellung (rechts) der konstruktionstechnischen Umsetzung des Vakuumkollektors der Firma SOLARBAYER mit allen wichtigen Bauteilen [3]
Schematische Darstellung einer CPC-Vakuumröhre mit Erläuterung aller relevanten Bauteile:
1. a) Edelstahlwellrohr
2. b) Wärmequellenprofil
3. c) Verschmelzung
4. d) äußeres Glasrohr
5. e) Vakuum
6. f) beschichtetes Glasrohr
7. g) Vor- und Rücklauf [4]
Solar-Luft-Kollektor der Firma NORDLUFT, links als geschlossener Kollektor mit der Verdeutlichung der eintretenden und austretenden Luft, rechts in der detaillierten Ansicht mit Beschriftung aller wichtigen Komponenten [5]

Detaillierte Beschreibung der Abbildungen
DARSTELLUNG EINES AUSFÜHRUNGSBEISPIELES DER ERFINDUNG

Die Nutzung von Umweltwärme, bzw. durch Umwandeln von Solarstrahlung in Energie (Solarthermie) wird nicht nur durch aktuelle Gesetze und Förderungen attraktiv, sondern auch durch die Möglichkeit der Kombination mit anderen Anwendungen und Anlagen. Durch die Kombination mit anderen Anlagen kann der Nutzen und die Effektivität dieser Solarthermie Anlagen weiter gesteigert werden. Kunststoffe sind aufgrund ihrer geringen Dichte und ihrer allgemeinen Korrosionsbeständigkeit bereits in vielen industriellen Bereichen vertreten. Durch ihre, hervorragenden Eigenschaften und ihrer leichten Verarbeitbarkeit, sind sie eine sehr gute Substitutionslösung für nahezu alle Anwendungen oder Bauteile. In Tabelle 1 sind die berechneten Werte für die Gewichtsreduzierung des jeweiligen Bauteiles dargestellt. Durch die Substitution der metallischen Materialien sind, unabhängig von der Bauteilgröße, Gewichtseinsparungen bis 87 % realisierbar. Je nachdem wieviel Additiv eingemischt werden kann bzw. muss um die geforderten Eigenschaften zu erreichen, können die Werte etwas variieren. Dennoch ist ersichtlich, dass bei einer optimierten Geometrie und einer iterativen Anpassung der Compounds eine deutliche Gewichtsreduzierung umsetzbar ist. Tabelle 1: Gewichtsreduzierung durch geplante Kunststofflösungen

Komponente des Kollektors	bisherige Materialien	Kunststofflösung	Gewichtsreduzierung [%]
Absorber	Aluminium (AI)	PP mit 40 %Ruß	53,33
Absorber	Kupfer (Cu)	PP mit 40 %Ruß	85,94
Gehäuse	Edelstahl	PP mit 40 % GF	80,24
	Edelstahl	PE-HD	87,88
	Aluminium (AI)	PP mit 40 % GF	41,44
	Aluminium (AI)	PE-HD	64,07
Abdeckung	Glas	PC	51,39
Abdeckung	PC	PP (transparent)	26,23

Des Weiteren sind neben den gewichtsreduzierenden Materialeigenschaften auch die kostengünstigen Werkstoffpreise der Kunststoffe sowie die einfache Verarbeitbarkeit ein enormer Vorteil gegenüber den konventionellen Metallen. stellt die jeweilige Materialpaarung mit dem sich ergebenden Gewichtsersparnis schematisch dar. Selbst bei den zurzeit eingesetzten Polycarbonat Abdeckungen für Luftkollektoren ergibt sich bei der Verwendung von transparentem Polypropylen noch eine Möglichkeit der Gewichtsreduzierung von immerhin noch 26 %.
Die weiteren Optimierungspotenziale sind in detailliert dargestellt. Bei der Substitution von Edelstahl, Kupfer und Aluminium sind enorme Gewichtseinsparungen durch die Verwendung von angepassten und eigenschaftsspezifischen Kunststoff-Additiv-Kombinationen umsetzbar. Des Weiteren sind die Strahlungscharakteristiken von Metallen und die Absorptionseigenschaften nicht einstellbar oder durch Zusatzstoffe kontrollierbar. Durch die Verwendung eigenschaftsspezifischer Additive und Zuschlagstoffe sind die polymerbasierten Ausgangswerkstoffe hinsichtlich ihrer geforderten Eigenschaften und Werkstoffcharakteristik individuell einstellbar. Das Bedeutet, dass folgende Eigenschaften in gewissen Maße (Verarbeitbarkeit, Additivanteil, u. a.) frei wählbar und einstellbar sind:

■ die Strahlungscharakteristik
- ■ Streuung
- ■ Reflektion
- ■ Absorption
- ■ Adsorption
- ■ Transmission
- ■ Emission
■ die thermischen Beständigkeiten
■ die mechanischen Festigkeiten.

Die enorme Designfreiheit zur Umsetzung der Bauteile ist durch die einfache Verarbeitbarkeit der Kunststoffe ein weiterer Vorteil und bietet weitreichende Optimierungsansätze für die jeweilige Geometrie der einzelnen Komponenten und die modulare Auslegung der Bauteilstruktur. Die Strahlungseigenschaften zur Aufnahme möglichst viel thermischer Energie aus der Sonne ist für den Kollektor ein sehr wichtiger Aspekt und trägt entscheidend zur Leistungsdichte bei. In sind die konventionellen Materialien und einige Additive für Kunststoffe mit dem jeweiligen Absorptionsfaktor zusammengefasst. Der Absorptionsfaktor gibt an, wieviel Prozent der einfallenden Strahlung absorbiert wird.
Man sieht deutlich, dass Ruß, Asphalt und schwarze Dachpappe die größten Absorptionskennwerte besitzen. Die Absorption wird im Vergleich zum idealen schwarzen Körper angegeben, welcher eine Absorptionsgrad von 1 besitzt und die eintreffende Strahlung weder reflektiert noch hindurchlässt. Das ist auch der Grund, warum nahezu alle Absorber schwarz sind oder mit schwarzer Farbe behandelt werden um an den Effekt des idealen schwarzen Strahlers so nah wie möglich heran zu kommen. Durch eine sehr hohe Absorptionsleistung des Absorbers wird darüber hinaus die thermische Belastung der anderen Komponenten reduziert und damit die Lebensdauer der Kollektoranlage erhöht. In ist der geplante Solar-Luft-Kollektor mit allen wichtigen Komponenten sowie der Luftströmung und der Sonnenstrahlung ersichtlich. Die Umsetzung dieser Kunststoff-Leichtbauweise mit adaptiver Erweiterbarkeit der einzelnen Gesamtmodule ist das primäre Ziel des Forschungsvorhabens. Weitere Vorteile und Funktionalitäten dieser neuartigen Bauweise, werden im Nachhinein an dem jeweiligen Bauteil genauer erläutert und dargestellt. Die Luftströmung kann, je nach Bauart des Kollektors, unterschiedlich umgesetzt werden.
Aufgrund der vielen Vorteile einer Unterströmung des Absorbers gegenüber den anderen Bauarten, wie z. B. Durchströmen, Überströmen oder Umströmen des Absorbers, wird dies Bauart für das Projekt angestrebt. Damit lassen sich alle Vorteile und wenige Nachteile hinsichtlich der Luftströmung umsetzen. Die Vorteile beziehen sich hauptsächlich auf betriebsbedingte Nebeneffekte, wie Kondensationserscheinungen durch die Luftfeuchte und Staubablagerung durch Schmutzpartikel. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der Wärmeverlust an der Abdeckung, welcher bei allen Bauarten, abgesehen von der unterströmten Bauart, einen nicht unerheblichen Leistungsverlust mit sich bringt.
Durch die Anordnung der Komponenten, wie in dargestellt, lässt sich eine einfache und effektive unterströmte Bauweise für den Absorber im Kollektor realisieren und damit die Wärmeverluste durch die Abdeckung verringern. Die einzelnen wichtigen Komponenten für den Kollektor werden detailliert beschrieben und die innovativen Anteile jedes Bauteiles wird explizit erläutert. Der Luftstrom im Kollektor wird nach dem Prinzip einer Schwerkraftheizung erzeugt. Durch die Erwärmung der Luft wird die Dichte verringert und daher steigt die warme Luft (ρ_Luft _35°c = 1,1455 ^g / _cm3) nach oben und kalte Luft (ρ_{Luft 0}◦_C = 1,292 ^g/_cm3) wird von unten automatisch nachströmen. Diese wird wiederrum erwärmt und somit entsteht ein Kreislauf im Kollektor, welcher ohne zusätzliche Anlagen oder Hilfsaggregate funktioniert. Diese natürliche thermische Luftströmung kann, bei zu geringen Drücken oder unzureichender Luftströmung, mittels Ventilatoren unterstützt werden. Diese können durch einen externen Antrieb oder durch die natürliche Luftströmung selbst als unterstützende Komponente integriert werden. Dadurch lassen sich Druckverluste kompensieren und Volumenströme erhöhen, wodurch die Leistungsdichte verbessert und gesteigert werden kann. Der Kollektor besteht aus mehreren Komponenten, die im Projektverlauf neu konstruiert, optimiert und anhand praxisnaher sowie mittels Basisprüfkörper hinsichtlich der geforderten Eigenschaften verifiziert werden sollen. Die erste Komponente ist das Gehäuse, welches als Träger der anderen Komponenten fungiert und die Verbindung zur Wand oder zum Dach des Gebäudes herstellen muss. Die Anbringung an die Wand- oder Dachkonstruktion wird im Projektverlauf nicht untersucht, da aufgrund der Kunststofflösung eine einfache nachträgliche Bearbeitung der Gehäusestruktur ohne weitere Probleme durchführbar ist.
Stand der Technik
Für die Belüftung von Hallen und Industriegebäuden hat sich der Luftkollektor in geschlossener oder offener Bauweise in den letzten Jahren etabliert. Durch die natürliche Erwärmung der Frischluft durch die Absorption der Sonnenenergie ergeben sich diverse Vorteile, die dafür gesorgt haben, dass der Luftkollektor immer mehr an Bedeutung gewinnt. Nach internationalem Stand der Technik, werden Solar-Luft-Kollektoren aus konventionellen metallischen Komponenten hergestellt, um die geforderten Eigenschaften hinsichtlich thermischer und mechanischer Festigkeit erfüllen zu können. Dadurch ergeben sich aber auch signifikante Nachteile die mit dem neu entwickelten System eliminiert werden können. Die nachfolgenden Punkte geben einen Überblick über die derzeitig eingesetzten Herstellungsverfahren, Bauweisen und Geometrien für Solar-Luft-Kollektoren und die jeweilige Abgrenzung zu dem innovativen Solar-Luft-Kollektor auf Kunststoffbasis in modularer Leichtbauweise vom Antragsteller.
Flach-Solar-Kollektor der Firma Sailer GmbH [2]
Die Firma SAILER GMBH stellt Solar Kollektoren mit einem speziellen sunarc®-Antireflexglas her und bewirbt mit einem Wirkungsgrad von 84,4 % ihren Solar-Kollektor Typ „FOCUS-AR“. Der Kollektor besteht aus konventionellem Aluminium mit einer Glasabdeckung. In ist der Kollektor mit allen Bestandteilen und dem Aufbau genau dargestellt. Durch die Konstruktion des Kollektors mit einer Höhe von mehr als zwei Metern und der Ausführung mit einer Glasabdeckung erhöht sich das Gesamtgewicht es Kollektors auf mehr als 30 kg (laut Datenblatt vom Hersteller). Des Weiteren sind zusätzliche Komponenten, wie die Vakuumbeschichtung und die Rückwandisolierung integriert, welche einen weiteren Füge- und Bearbeitungsprozess mit sich bringen und daher die Wirtschaftlichkeit negativ beeinflussen. [2]
Abgrenzung:
Aufgrund der verwendeten Materialien und der Baugröße ist der Solarkollektor der Firma SAILER GMBH bis zu 30 Kg schwer und daher von einer Person alleine nicht montier oder handhabbar. Das spezielle Antireflexglas mit einer Stärke von 4 mm dient zum Schutz vor äußeren Einflüssen, trägt aber zeitgleich zur Gewichtserhöhung des Kollektors in nicht unerheblichem Maße bei. Des Weiteren ist bei einer Glasabdeckung immer eine Rissgefahr bei starker Stoßbelastung zu erwarten. Diese Gefahr ist bei der Kunststoffabdeckung mit mehreren einzelnen Schichten nicht gegeben, da der Kunststoff dämpfende und formbeständige Eigenschaften besitzt, die im Vergleich zu Glas enorme Vorteile mit sich bringen. Des Weiteren werden Glasabdeckungen in den kommenden Jahren aufgrund gesetzlicher Richtlinien für Kollektoren nicht mehr zur Anwendung kommen. Ein weiterer Nachteil ist, dass mit dieser Kombination aus Glas und Aluminium eine nachträgliche Anbringung an ältere Gebäude aufgrund der Tragfähigkeit der Mauern nicht umsetzbar. Dadurch wird die Reichweite der Nutzungsmöglichkeiten enorm eingeschränkt, was bei dem neu entwickelten Kollektor durch die gewichtsreduzierte Bauweise und kunststoffbasierte Materialien umgangen wird. Weiterhin ist eine Erweiterbarkeit oder Anpassung an geforderte Systemleistungen nicht umsetzbar. Durch die modulare Steckverbindung und Weiterführung der Luftkanäle im neu entwickelten Solar-Luft-Kollektor ist diese Möglichkeit der individuellen Erweiterbarkeit gegeben.
Vakuum-Röhrenkollektor der Firma SOLARBAYER GMBH [3]
Der entwickelte Vakuumröhrenkollektoren CPC Nero® der Firma SOLARBAYER zeichnet sich durch die Verwendung von Vakuumröhren aus, die mit reflektierenden CPC-Spiegeln (parabolische Hohlspiegel) versehen werden. Des Weiteren wird für das Gehäuse eine Aluminiumkonstruktion verwendet und für die Wärmeübertragung sind Kupferrohre innerhalb der CPC Röhren vorgesehen. Zur Wärmedämmung wird eine weitere Komponente, verdichtete Mineralwolle, verwendet, um die thermische Belastung auf die umliegenden Komponenten zu minimieren. Die genauen Details sind in mit allen Komponenten und konstruktionstechnischen Besonderheiten dargestellt. Durch diese Umsetzung und Ausnutzung der CPC-Spiegel wird die Anwendung des Kollektors für hohe Temperaturbereiche ermöglicht. Ein weiterer anwendungstechnischer Aspekt ist die [3]
Abgrenzung:
Durch die komplexe konstruktionstechnische Umsetzung und die Verwendung von Vakuumröhren ist der Kollektor der Firma SOLARBAYER für konventionelle Anwendungen ungeeignet. Zur Umsetzung einer einfachen Hallenheizung oder Gebäudeklimatisierung ist der Vakuumkollektor mit seinen Spezialröhren zwar eine effektive, aber auch kostenintensive Lösung. Der neu entwickelte Solarkollektor bringt aufgrund seiner einfachen und kostengünstigen Konstruktion sowie durch die Verwendung von konventionellen Kunststoffen enorme Vorteile mit sich. Dadurch ist es ohne Probleme realisierbar eine effektive, kostengünstige und gewichtsoptimierte Lösung für die Umsetzung einer Hallenheizung oder Gebäudetemperierung auch für ältere Gebäude mit weniger Traglast der Wände und Dächer zu gewährleisten. Des Weiteren ist der neue Solar-Luft-Kollektor aufgrund seiner modularen Bauweise und seiner einfachen Erweiterbarkeit hinsichtlich seiner Leistungsanpassung für eine spätere Korrektur für neue Anforderungen ohne Probleme umsetzbar.
Solarkollektor Luft - DK Solar der Firma D&K SOLAR GMBH [4]
Der DK SOLAR CPC-Vakuumröhren Luft-Kollektoren der Firma D&K Solar GmbH ist eine Neukonstruktion vorhandener Solarkollektoren und funktionieren komplett ohne eine Fluidkomponenten wie Wasser oder andere Kühlmedien. Dadurch wird nur Luft als Trägermedium genutzt und mit den integrierten CPC-Spiegeln soll die Effektivität deutlich gesteigert werden. Durch das Thermoskannen Prinzip verspricht die Firma eine Langlebigkeit des Kollektors von ca. 25 Jahren. Dieser Kollektor verfügt auch über keinerlei Kunststoffkomponenten und soll somit eine längere Lebensdauer garantieren. Zwei Bauarten für die Vakuumröhren mit allen wichtigen technischen Details ist nachfolgend aufgelistet. [4] Tabelle 2: Technische Details zu den beiden Ausführungen für die einzelnen Vakuumröhren des Solarkollektors [4]

CPC-Vakuumröhren CPC 8 Air CPC 16 Air

Wärmeleistung in KW 1,2 2,4

Abmessungen B/H/T in mm 1100 × 1745 × 112 2190 × 1745 × 112

Gewicht in kg 34 66

Anzahl Kollektorröhren 8 16
Zur Unterstützung der technischen Daten ist in der genaue Aufbau des CPC-Röhrenkollektors mit den einzelnen Komponenten genauer ersichtlich.
Abgrenzung:
Durch die Verwendung standardisierter metallischer Werkstoffe ist der Solarkollektor der Firma D&K SOLAR GMBH auf dem aktuellen Stand der Technik und bietet hinsichtlich der Wärmeübertragungsleistung diverse Vorteile. Dennoch sind damit auch sehr viele Nachteile verbunden, die bereits bei dem hohen Systemgewicht beginnen. Der kleinere Kollektor mit gerade mal 8 Rohren ist bereits über 30 Kg schwer und damit für eine einzelne Person alleine nicht trag- und montierbar. Des Weiteren wird durch diese Konstruktion die Nachrüstung für ältere Gebäude nicht realisierbar, was das Einsatzpotenzial des Kollektors enorm einschränkt. Der neu entwickelte Solarkollektor in kompletter Kunststoffausführung bietet, neben der Korrosionsbeständigkeit, darüber hinaus einen sehr hohen Gewichtsvorteil, bei gleichzeitig verbesserter Wärmeübertragungsleistung. Durch das verwendete Kunststoff-Ruß-Gemisch als Absorbermaterial mit einem deutlich höheren Absorptionskoeffizienten im Vergleich zum konventionellen Aluminiumabsorber wird zusätzlich eine erhöhte Leistungsdichte generiert, womit weniger Sonnenenergie benötigt wird, um die Luft auf die notwendige Temperatur zu erhitzen. Des Weiteren wird die Erweiterbarkeit des gesamten Kollektorsystems durch diese abgeschlossene Bauweise des Solarkollektors der Firma D&K SOLAR GMBH nicht gewährleistet und daher ist eine Anpassung an sich verändernde Anforderungen oder Randbedingungen nicht umsetzbar.
Warmluftsystem ECOSOLAR (Gas/ÖL/Solar-Lufi) der Firma NORDLUFT WÄRME- UND LÜFTUNGSTECHNIK GMBH & Co. KG [5]
Das Warmluftsystem der Firma NORDLUFT erlaubt, laut Aussage des Herstellers, eine Nutzung von 100 % bis 105 % der einfallenden Sonnenenergie und erfüllt die aktuellen Anforderungen des neue EEWärmeGesetz für den Bereich Solarthermie. Den Wirkungsgrad der Anlage über 100 % erklärt sich der Hersteller die Verwendung der Kombination einer Brennkammer mit einem Kondensatablauf. Die Firma NORDLUFT setzt die Kollektoren als Teil eines gesamten Belüftungssystems ein, um das Gebäude dementsprechend zu Belüften und ggf. auch zu beheizen. Durch die Kombination mit dem Kondensatablauf und den Solarkollektoren, soll eine ausreichende und kontinuierliche Belüftung ermöglicht werden. In ist der Solar-Kollektor einmal als geschlossene Bauweise und einmal mit der Beschriftung der einzelnen Komponenten ersichtlich. Die Bauweise basiert auch hier auf konventionellen metallischen Komponenten in Kombination mit einer Glasabdeckung und einer Dämmungskomponente. [5]
Abgrenzung:
Durch die Verwendung von konventionellen metallischen Materialien für die Komponenten des Kollektors wird die Gesamtmasse des Kollektors deutlich höher ausfallen. Laut Herstellerangaben beträgt das Gewicht eines einzelnen Kollektors ca. 80 kg. Damit sind die Module für einen einzelnen Arbeiter nicht montier- und handhabbar. Eine vollständige Brutto-Kollektorfläche hat eine Gesamtmasse von ca. 640 kg. Dadurch sind Nachrüstungen für ältere Gebäude oder für Gebäude mit dünneren Wänden nicht umsetzbar. Daher ist der Kollektor, der Firma NORDLUFT nur bedingt für Nachrüstungen geeignet. Für eine nachträgliche Installation müsste zuvor eine statische Untersuchung erfolgen, die Mehrkosten verursacht und somit die Wirtschaftlichkeit verringert. Des Weiteren ist das System für eine genaue Anzahl an Kollektoren ausgelegt und eine nachträgliche Erweiterung der Kollektorfläche ist nicht so einfach möglich.
Quellen

[1] BauNetz, „www.baunetzwissen.de,“ Baunetz_Wissen_, 14 September 2019. [Online]. Available: https://www.baunetzwissen.de/bauphysik/fachwissen/waermeschutz/absorption-undwaerme-auf-oberflaechen-4733315. [Zugriff am 19 September 2019].
[2] S. GmbH, „www.hausechnik-der-Zukunft.de/Sailer-Solar.html,“ Sailer GmbH, 22 Juli 2018. [Online]. Available: https://www.haustechnik-der-zukunft.de/Sailer_Solar.html. [Zugriff am 2019 Oktober 14].
[3] S. GmbH, „www.solarbayer.de,“ Solarbayer GmbH, 2019 Januar 17. [Online]. Available: https://www.solarbayer.de/vakuum-roehrenkollektor-cpc-nero.html. [Zugriff am 2019 Oktober 16].
[4] D. S. GmbH, „www.dk-solar.de,“ D&K Solar GmbH, 14 Mai 2019. [Online]. Available: https://www.dk-solar.de/cpc-solarkollektor-luft/. [Zugriff am 25 Oktober 2019].
[5] nordluft, „www.nordluft.com,“ Nordluft Wärme- und Lüftungstechnik GmbH & Co. KG, 23 November 2016. [Online]. Available: https://www.nordluft.com/fileadmin/user_upload/Prospekt_EcoSolar 02-10_.pdf. [Zugriff am 28 Oktober 2019].
[6] D. P.-. u. Markenamt, „https://depatisnet.dpma.de,“ Deutsches Patent- und Markenamt, 23 Januar 2017. [Online]. Available: https://depatisnet.dpma.de/DepatisNet/depatisnet?action=einsteiger. [Zugriff am 20 Februar 2017].

Bezugszeichenliste

1: Seitenhalterung
2: Mehrschichtabdeckung
3: Kollektorgehäuse
4: Steckverbindung
5: Absorber
6: Reflektionsfolie
8: Solar-Luft-Kollektor

Claims

Leichtbau-Solar-Luft-Kollektor (8), dadurch gekennzeichnet, dass a) der Kollektor ein Kunststoffgehäuse (3) mit Luftkanälen aufweist b) das Gehäuse eine Mehrschichtabdeckung (2) mit einer dichroitischen Filterfunktion/einem Kaltspiegel umfasst c) unterhalb der Mehrschichtabdeckung (2) ein Absorber (5) angeordnet ist und d) die Luftkanäle eine Reflexionsfolie (6) aufweisen.
Kollektor (8) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3), der Absorber (5) und/oder die Mehrschichtabdeckung (2) den Kunststoff Polypropylen umfassen.
Kollektor (8) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff Polypropylen ist und bevorzugt Ruß umfasst.
Kollektor (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die dichroitische Filterfunktion so ausgewählt ist, dass das sichtbare Licht reflektiert und die Wärmestrahlung durchgelassen wird.
Kollektor (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (5) eine Reflexionsfolie (6) umfasst, die die einfallenden Sonnenstrahlen in den einzelnen Luftkanälen mehrfach reflektieren und streuen.
Kollektor (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor (8) Steckverbindungen (4) aufweist, um mit anderen Kollektoren (8) verbunden zu werden.
Verwendung des Solar-Kollektors (8) nach Anspruch 1 bis 6 für die Heizung und Belüftung von Industrie- und Werkhallen