DE10215218A1

DE10215218A1 - Absorber für einen Sonnenkollektor sowie Sonnenkollektor mit wenigstens einem solchen Absorber

Info

Publication number: DE10215218A1
Application number: DE10215218A
Authority: DE
Inventors: Johann Schuetz
Original assignee: SOLYTEC GmbH
Current assignee: SOLYTEC GmbH
Priority date: 2002-02-21
Filing date: 2002-04-06
Publication date: 2003-09-04

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen neuartigen Absorber für einen Sonnenkollektor mit einer Absorberplatte und mit wenigstens einem an einer Oberflächenseite der Absorberplatte vorgesehenen und von einem dort befestigten Rohrprofil gebildeten Kanal, der von einem wärmetransportierenden Medium durchströmbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Absorber gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf einen Sonnenkollektor gemäß Oberbegriff 10.
Sonnenkollektoren und deren Absorber sind in unterschiedlichsten Ausführungen bekannt. Generell bestehen Absorber aus einer Absorberplatte aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus Kupfer. An einer Oberflächenseite dieser Platte, bevorzugt an der Absorberplattenunterseite ist dann wenigstens ein sich über die gesamte Unterseite erstreckender Absorberkanal vorgesehen, der von einem wärmetransportierenden Medium, beispielsweise Wasser oder Wasser mit einem Frostschutzmittel durchströmbar ist. Der Kanal ist z. B. von einem Rohrprofil gebildet, welches in geeigneter Weise mit der Absorberplatte verbunden ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Absorber bzw. einen Sonnenkollektor mit einem verbesserten Wirkungsgrad aufzuzeigen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Absorber entsprechend dem Patentanspruch 1 und ein Sonnenkollektor entsprechend dem Patentanspruch 10 ausgebildet.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ergibt sich eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen der Absorberplatte und dem den wenigstens einen Absorberkanal durchströmenden wärmetransportierenden Medium und damit ein verbesserter Wirkungsgrad für den Absorber oder den Sonnenkollektor.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt einen Sonnenkollektor gemäß der Erfindung;
Fig. 2 in vereinfachter perspektivischer Darstellung den Absorber des Kollektors in Rückansicht;
Fig. 3 einen Schnitt durch eines der Verteilerrohre des Absorbers der Fig. 2;
Fig. 4 in Seitenansicht eine Teillänge eines Verteilerrohrs des Absorbers der Fig. 2, zusammen mit einem Schnitt durch die Absorberplatte;
Fig. 5 in vereinfachter Darstellung einen Schnitt zwischen einem Absorberkanal und einem Verteilerkanal bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung.
Der in den Figuren allgemein mit 1 bezeichnete Sonnenkollektor besteht in an sich bekannter Weise im wesentlichen aus einem Kollektorgehäuse 2, welches bei der dargestellten Ausführungsform als Schale ausgebildet ist, und zwar mit einem geschlossenen Boden 3, einer geschlossenen Umfangswand 4 und einer oberen, offenen Seite, die durch eine Platte 5 aus einem lichtdurchlässigen Material, beispielsweise durch Glas verschlossen ist.
In dem Innenraum 6 des Gehäuses 2 ist ein Absorber 7 angeordnet, und zwar parallel zum Boden 3 bzw. zu der Abdeckung 5 und gegenüber dem Boden durch eine Isolierung 8 thermisch isoliert.
Der Absorber 7 besteht bei der dargestellten Ausführungsform aus einer Absorberplatte 9, die aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus Kupfer gefertigt ist und an ihren Oberflächenseiten, die parallel zum Boden 3 bzw. zur Abdeckung angeordnet sind, plan ausgebildet ist. Zumindest an ihrer der Abdeckung 5 zugewandten Oberseite ist die Platte 9 mit einer optisch wirksamen Beschichtung 10 versehen, die zum optimalen Umwandeln der auf dem Absorber 7 auftreffenden und in der Fig. 1 mit dem Pfeilen S angedeuteten Sonnenstrahlung eine dunkelfarbige Absorberoberfläche schafft und zugleich das Abstrahlen von Infrarot-Strahlung vom Absorber an die Umgebung reduziert.
An der Unterseite der Absorberplatte 9 sind mehrere Absorberkanäle 11 parallel zueinander und parallel zu zwei Seiten 9' und 9" der rechteckförmigen oder quadratischen Absorberplatte 9 vorgesehen. Die Kanäle 11 sind im Bereich der beiden anderen Seiten 9''' und 9"" der Absorberplatte 9 über Verteilerkanäle 12 miteinander verbunden. Letztere sind jeweils mit einem Ende 12' bzw. 13' aus dem Gehäuse 2 herausgeführt, und zwar an einander gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses im Bereich von diagonal gegenüberliegenden Ecken dieses Gehäuses. Die herausgeführten Enden 12' und 13' bilden jeweils den Anschluß für den Vorlauf bzw. Rücklauf des Sonnenkollektors.
Durch die beschriebene Ausbildung des von den Kanälen 11, 12 und 13 gebildeten Strömungssystems ergeben sich gleichlange Strömungswege für das den Absorber bzw. die Kanäle 11, 12 und 13 durchströmende flüssige Strömungsmediums, d. h. unabhängig davon, welchen Absorberkanal 11 dieses Strömungsmedium durchströmt, ergibt sich eine gleiche Weglänge zwischen dem Vorlauf 12' und dem Rücklauf 13'.
Eine Besonderheit des Absorbers 7 besteht darin, daß die Kanäle 11, 12 und 13 jeweils von miteinander verbundenen Längen eines Rohrprofils 14 gebildet sind. Dieses Rohrprofil besteht ebenfalls aus einem Metall hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus Kupfer und besitzt einen Querschnitt mit wenigstens einen abgeflachten Umfangsabschnitt oder -bereich 14', mit dem die die Kanäle 11-13 bildenden Längen des Rohrprofils 14 flächig mit der Unterseite der Absorberplatte 9 verbunden ist. Der abgeflachte bzw. plane Umfangsabschnitt 14' beträgt beispielsweise wenigstens ein Drittel des Gesamtumfangs des Rohrprofils 14. Bei der dargestellten Ausführungsform weist das Rohrprofil 14 einen D-förmigen Querschnitt auf.
Die Verbindung zwischen dem Rohrprofil 14 und der Unterseite der Absorberplatte 9 ist beispielsweise unter Verwendung eines geeigneten Weich- oder Hartlotes oder aber unter Verwendung eines Klebers hergestellt, der zumindest im ausgehärteten Zustand eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Geeignet hierfür sind z. B. Kleber auf Kunstharzbasis, insbesondere auch solche mit einem Zusatz oder einem Füller aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, die die Kanäle 11-13 bildenden Längen des Rohrprofils 4 mittels des dem Fachmann grundsätzlich bekannten Direct-Bonding- Verfahrens bzw. bei einer Absorberplatte 9 und einem Rohrprofil 14 aus Kupfer mittels des Direct-Copper-Bondung-Verfahrens miteinander zu verbinden. Bei diesem Verfahren weist die Absorberplatte 9 und/oder das jeweilige Rohrprofil 14 zumindest an den miteinander zu verbindenden Oberflächenseite eine Schicht oder einen Überzug auf, der von dem jeweiligen Metall und einem reaktiven Gas gebildet ist, d. h. bei Verwendung von Kupfer eine Kupfer-Oxid-Schicht. Diese Schicht bildet dann eine Aufschmelz-Schicht oder ein Eutektikum, welches bei einer Temperatur deutlich unter der Schmelztemperatur des verwendeten Metalls aufschmilzt und hierdurch eine Verbindung zwischen dem Rohrprofil 14 und der Absorberplatte 9 schafft.
Dieses Direct-Bondung-Verfahren ist dem Fachmann beispielsweise aus der US-PS 3 744 120 oder der DE-PS 23 19 854 bekannt und hat den Vorteil, daß eine metallische Verbindung zwischen dem jeweiligen Rohrprofil 14 und der Platte 9 ohne eine Zwischenschicht aus einem Lot oder Kleber erreicht ist, sich also ein optimaler Wärmeübergang von der Absorberplatte 9 an den jeweiligen Kanal 11-13 bzw. an das diesen Kanal durchströmende wärmetransportierende Medium ergibt.
Wie die Fig. 4 weiterhin zeigt, ist das Rohrprofil 14 zusätzlich profiliert, d. h. mit in den jeweiligen Kanal 11-13 hineinragenden Rippen oder Vorsprüngen 15 versehen, und zwar in besonders einfacher Weise dadurch, daß in das Rohrprofil 14 von außen her diese Vorsprünge 15 bildende Vertiefungen oder Nuten 16 eingedrückt sind, die mit ihrer Längserstreckung quer zur Achse des jeweiligen Kanals liegen. Durch die Vorsprünge 15 wird eine Verwirbelung des die Kanäle 11-13 durchströmenden wärmetransportierenden Mediums in der Weise erreicht, daß das gesamte Volumen dieses Mediums jeweils mit den die Wärme übertragenden Flächen der Kanäle 11-13 möglichst gleichmäßig in Berührung kommt und somit eine optimale Wärmeübertragung von der Absorberplatte 9 auf das wärmetransportierende Medium erreicht wird. Durch die Vorsprünge 15 wird insbesondere auch die Ausbildung einer laminaren Strömung innerhalb der Kanäle 11-13 in der Weise verhindert, daß die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Wandung der Kanäle geringer ist als in der Mitte des Querschnittes dieser Kanäle, was für die angestrebte optimale Wärmeübertragung vom Absorber auf das wärmetransportierende Medium sehr nachteilig wäre.
Das Rohrprofil 14 kann problemlos dadurch hergestellt werden, daß zunächst ein Metallrohr, beispielsweise ein Kupferrohr mit einem kreisförmigen Querschnitt z. B. durch Ziehen gefertigt wird, und daß dieses Rohr dann in einem geeigneten Werkzeug, beispielsweise in einem Rollengang zur Bildung des Umfangswandabschnittes 14' an einem Teilbereich seiner Umfangsfläche flach gedrückt und hierbei auch mit den Vertiefungen 16 versehen wird.
Bei der Hersteller der die Verteilerkanäle 12 und 13 bildenden Längen des Rohrprofils 14 ist es auch möglich, das als Ausgangsmaterial verwendete Rohrprofil mit kreisförmigen Querschnitt an den Enden 12' und 13' in seinem ursprünglichen Zustand zu belassen, um so optimale Anschlüsse für den Vorlauf bzw. Rücklauf zu bilden.
Insbesondere dann, wenn die Verbindung zwischen dem Rohrprofil 14 und der Absorberplatte 9 unter Verwendung eines Klebers erfolgt, kann bei der Herstellung des Absorbers 7 so vorgegangen werden, daß zunächst die einzelnen Längen des Rohrprofils 14 zu einer die Kanäle 11-13 bildenden Rahmen- oder Rohrstruktur miteinander verbunden werden, die dann beispielsweise auch einer Druckprüfung unterzogen wird. Die Rohrstruktur wird anschließend als ganzes auf die Unterseite der Absorberplatte 9 aufgelegt und dort unter Verwendung des Klebers mit der Absorberplatte 9 verbunden.
Die Fig. 5 zeigt als weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung einen Absorber 7a im Teilschnitt, und zwar am Übergang zwischen einem Absorberkanal 11a und einem Verteilerkanal 12a bzw. 13a, die von ihrer Funktion her den Verteilerkanälen 12 bzw. 13 entsprechen. Der Absorberkanal 11a ist wiederum von dem abgeflachten Rohrprofil 14 gebildet, welches mit seinem abgeflachten Umfangsbereich 14' flächig mit einer Seite der Absorberplatte 9 verbunden ist.
Für die Verteilerkanäle 12a und 13a ist ein Rohrprofil mit rundem Querschnitt verwendet. Dieses Rohrprofil 17 ist so mit dem Absorberkanal 11a bildenden Rohrprofil 14 verbunden, daß der Übergang zwischen den beiden Rohrprofilen an der der Absorberplatte 9 zugewandten Seite in der Ebene der planen Unterseite der Absorberplatte 9 liegt. Die beiden Rohrprofile 14 und 17 sind am Übergang 18 so angeschnitten und miteinander dicht verbunden, beispielsweise durch Verlöten, daß der Kanal 11a mit seinem vollem Querschnitt in den Kanal 12a bzw. 13a mündet und auch das Rohrprofil 14 nicht in das Rohrprofil 17 hineinreicht.
Das Rohrprofil 17 bildet mit seinem runden Querschnitt die Anschlüsse für den Sonnenkollektor bzw. für die Verteilerkanäle 12a und 13a.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird. So ist es selbstverständlich auch möglich, anstelle des halbkreisförmigen oder D-förmigem Querschnitts für das Profilrohr 14 einen anderen Querschnitt zu wählen, der ebenfalls einen flachen Umfangsbereich aufweist, beispielsweise einen quadratischen oder rechteckförmigen Querschnitt, wenngleich der teilkreisförmige oder D-förmige Querschnitt sowohl in Bezug auf die Druckfestigkeit, als auch deswegen eine optimale Lösung darstellt, weil dieses Querschnittsprofil bei vorgegebenem Strömungsquerschnitt die geringste Oberfläche außerhalb des abgeflachten Umfangsbereichs 14' aufweist und dadurch die für mögliche Wärmeverluste verantwortliche Abstrahlfläche des Rohrprofils 14 außerhalb des Umfangsabschnittes 14' möglichst gering gehalten ist. Bezugszeichenliste 1 Sonnenkollektor
2 Kollektorgehäuse
3 Gehäuseboden
4 Gehäuseumfangswand
5 Abdeckung aus Glas
6 Kollektorinnenraum
7, 7a Absorber
8 Isolierung
9 Absorberplatte
9'-9"" Umfangsseite der Absorberplatte
10 Beschichtung
11, 11a Absorberkanal
12, 13, 12a, 13a Verteilerkanal
12', 13' Vorlauf bzw. Rücklauf
14 Rohrprofil
14' Umfangswandabschnitt des Rohrprofil
15 Vorsprung
16 Vertiefung
17 Rohrprofil
18 Übergang zwischen Absorberkanal und Sammelkanal

Claims

1. Absorber für einen Sonnenkollektor (1) mit einer Absorberplatte (9) und mit wenigstens einem an einer Oberflächenseite der Absorberplatte (9) vorgesehenen und von einem dort befestigten Rohrprofil (14) gebildeten Kanal (11, 12, 13), der von einem wärmetransportierenden Medium durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrprofil (14) an einem Umfangsbereich (14') plan ausgebildet und an diesem Umfangsbereich flächig mit der Absorberplatte (9) verbunden ist.

2. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberplatte (9) aus Metall, beispielsweise aus Kupfer gefertigt ist.

3. Absorber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den wenigstens einen Kanal (11, 12, 13) bildende Rohrprofil (14) aus Metall, beispielsweise aus Kupfer besteht.

4. Absorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Rohrprofil (14) und der Absorberplatte (9) durch Weich- oder Hartlöten oder unter Verwendung eines Klebers hergestellt ist.

5. Absorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Rohrprofil (14) und der Absorberplatte (9) durch ein Direct-Bonding-Verfahren, beispielsweise durch ein DCB-Verfahren hergestellt ist.

6. Absorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der plane Umfangsbereich (14') des Rohrprofils (13) wenigstens ein Drittel des Umfangs des Rohrprofils bildet.

7. Absorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrprofil einen teilkreisförmigen oder D-förmigen Querschnitt aufweist.

8. Absorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrprofil (14) einen rechteckförmigen oder quadratischen Querschnitt aufweist.

9. Absorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrprofil (14) mit in das Innere dieses Profils vorstehenden Vorsprüngen oder Rippen (15) versehen ist, und zwar vorzugsweise durch Eindrücken dieser Vorsprünge oder Rippen von der Rohrprofilaußenseite her.

10. Sonnenkollektor mit einem Gehäuse (2), welches an einer Gehäuseseite durch eine lichdurchlässige Abdeckung (5) verschlossen ist, sowie mit wenigstens einem Absorber (7) im Innenraum des Gehäuses, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber entsprechend einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.

11. Absorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der einen Oberflächenseite der Absorberplatte (9) von einem Rohrprofil (14) gebildete Absorberkanäle (11, 11a) sowie von einem Rohrprofil gebildete Sammelkanäle (12, 13; 12a, 13a) vorgesehen sind, in die die Absorberkanäle (11, 11a) münden.

12. Absorber nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrprofil (14) der Absorberkanäle (11) identisch mit dem Rohrprofil der Sammelkanäle (11, 12) ist.

13. Absorber nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrprofil (14) der Absorberkanäle (11a) an dem einen Umfangsbereich (14') plan ausgebildet ist und daß das Rohrprofil der Sammelkanäle (12a, 13a) ein kreisförmiges Profil ist.

14. Absorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang (18) zwischen den Absorberkanälen (11, 11a) und den Sammelkanälen (12, 13; 12a, 13a) zumindest an der der Absorberplatte (9) zugewandten Seite in einer planen oder nahezu planen Ebene liegt.