DE2502594A1 - Kollektor fuer sonnenwaerme - Google Patents

Kollektor fuer sonnenwaerme

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Description

Kesser Griesheim GinbH MG 920
Prankfurt/Main 9.1.75 /
Kennwort: Solarkollektor 1
Erfinder: Prof. Dr. Justi
Kollektor für Sonnenwärme
Die Erfindung betrifft einen ebenen Kollektor für Sonnenwärme, mit einem geschwärzten Blech, dessen der Sonne zugewandte Fläche eine Abdeckung zugeordnet ist, die nur für einen Teil des Wellenlängenbereiohes der elektromagnetischen Strahlung durchlässig (spektralselektiv) ist.
Kollektoren der oben genannten Gattung dienen dem Zweck, die von der Sonne ausgestrahlte Wärme in Nutzwärme umzuwandeln, z.B. zur Erwärmung von Luft, Warmwasserbereitung, Raumklimatisierung und Stromerzeugung.
Bekannte Kollektoren bestehen im einfachsten Fall aus einem geschwärzten Blech, das durch Absorption des auffallenden Sonnenlichtes bis zu einer Gleichgewichtstemperatur erhitzt wird,"welche einerseits durch die je Flächeneinheit absorbierte Sonnenstrahlungsleistung, andererseits durch die abgegebene infrarote Wärmerückstrahlungsleistung und Wärmeleitungs- und Konvektionsverluste bestimmt ist, wozu die gegebenenfalls laufend entnommene Mutzwärme hinzutritt. Solche plattenförmigen Wärmesammler erreichen ein Maximum an täglicher Wärmemengensammlung, wenn sie dem jeweiligen Sonnenstand zwecks Erzielung senkrechten Lichteinfalles nachgeführt werden, unbeschadet der hiervon unabhängigen Absorption des diffusen Anteiles der Insolation. Bedingt durch die hierfür notwendigen und vor allem aufwendigen konstruktiven Maßnahmen, arbeitet ein solcher Kollektor jedoch unwirtsihaftlich. und störanfällig, so daß dieser in der Regel unverstellbar montiert wird. Der Kollektor ist in
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ORfQlNAL INSPECTED
r. 2 —
diesem Falle zur maximalen Wärmeeinsammlung nach Süden unter \ einem Winkel gegen die Horizontale geneigt, welcher der geographischen Breite des Aufstellungsortes plus 10 - 15° entspricht,
Solche Kollektoren werden schon seit langem gebaut und finden vor allem Anwendung in subtropischen Ländern der Erde und zwar zur Warmwasserbereitung und zur Klimatisierung. Ein derart bekannter Kollektor für Sonnenwärme besteht aus einem mit schwarzer Farbe bestrichenen Blech (Absorber), das gegebenenfalls von einem Rahmen aufgenommen ist. Auf der der Sonne zugewandten, vorderen geschwärzten Seite des Bleches sind eine oder mehrere im Abstand voneinander angeordnete Glasplatten vorgesehen, Vielehe aufgrund ihrer Durchlässigkeit für sichtbares Licht und Undurchlässigkeit für die infrarote Wärmerückstrahlung zu einer Reduzierung der Strahlungsverluste beitragen (Treibhauseffekt).
Von Nachteil hierbei ist jedoch, daß die Glasabdeckung auch bei sauberer Oberfläche ihren Zweck nur unvollkommen erfüllt, da handelsübliches Glas bei der festigkeitshalber erforderlichen Minimaldicke das sichtbare Licht zu wenigstens 10$ absorbiert und weiterhin auch bedeutende Lichtverluste durch ein- oder mehrfache Reflexion verursacht, wenn man diese nicht durch kostspielige Entspiegelung vermeidet.
Darüberhinaus sind diese Abdeckplatten aus Glas bekannterweise sehr zerbrechlich und besitzen auch ein hohes Eigengewicht, was insbesondere bei der Abdeckung großflächiger Kollektoren von Nachteil ist.
Anstelle der Bedeckung mit Glasplatten wurde bereits vorgeschlagen (Tabor), vernickelte Eisenbleche als Kollektorblech zu verwenden, die oberflächlich derart sulfidiert werden, daß eine Deckschicht mit einer gleichmäßigen Dicke von 1/4 der Wellenlänge der Wärmerüekstrahlung im Intensitätsmaximum entsteht, welche nach den optischen Gesetzen eine vollständige Undurchlässigkeit für die betreffende Wellenlänge bewirkt. Die Kosten und die Empfindlichkeit einer solchen Schicht stehen aber in keinem wirtschaftlichen Verhältnis zur erreichten Steigerung
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- Jt - ■
der Absorption von etwa 83$ (bei gewöhnlicher Schwärzung) zu fast 1OC$ (bei der sulfidierten Oberfläche).
Es wurde ferner schon vorgeschlagen, die Oberfläche des Bleches mit senkrecht angeordneten Röhrchen von bis zu einem Zentimeter Durchmesser auszustatten, deren Länge das Vielfache ihres Durchmessers aufweist, und welche nach Gesetzen der Optik infolge Vielfachreflexion als schwarze Körper wirken, die dazu tendieren, sich mit der Temperatur der Sonne (ca. 6OOOK) in das Strahlungsgleichgewicht zu setzen. * '
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aufbauend auf dem vorgenannten Stand der Technik, einen ebenen Kollektor für Sonnenwärme zu schaffen, der eine Optimierung des Verhältnisses Kollektorleistung zu Fläche, Gewicht und Investitionskosten durch eine optimale Ausnutzung der Sonnenwärme gewährleistet., ohne daß hierfür konstruktiv aufwendige Maßnahmen erforderlich sind.
Zur Lösung der genannten Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die auf der sonnenzugewandten Fläche des Bleches aufgebrachte Schwarzfarbe ein Absorptionsvermögen für die Sonnenstrahlung von 95 - 98^, eine Temperaturbeständigkeit von O ~ 1700C und. einen im wesentlichen verlustfreien "Wärmeübergang auf das Blech aufweist, daß weiterhin die Abdeckung aus wenigstens einer spektralselektiven Fluorkunststoff-Folie besteht, deren wesentliche Eigenschaften eine Durchlässigkeit für sichtbares Licht größer 9Q%3 ein Absorptionsvermögen für Ultrarot-Strahlung größer 90# und eine Temperaturbeständigkeit von 0 - 1500C ist, daß ferner auf der sonnenabgewandten Fläche des Bleches eine Ultrarot-Strahlung verhindernde Metallschicht angeordnet ist und daß ferner die Metallschicht mit einer Wärmeisolierungsschieht abgedeckt ist.
Ein Maßstab für den technischen Fortschritt der Erfindung ist das Verhältnis Absorption0^ im sichtbaren Bereich zu Emissionsvermögen £ im Ultrarotbereich, vorzugsweise bei der Wellenlänge maximaler IntensitätX max (^m) = 2900/T (T in K). Mit dem Stand der Technik wurden bisher nur geringem/fr -Werte erzielt. Der
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- fy -.
erfindungsgemäße Kollektor erreicht dagegen </£ -Werte von 16 und mehr. Dies beruht auf der erfindungsgemäßen Kombination von Merkmalen, die einen überraschend großen Effekt ergeben.
Gemäß der Erfindung wird weiterhin vorgeschlagen, daß als Abdeckung zv/ei oder mehrere Kunststoffolien vorgesehen sind, wobei die dem Blech zugeordnete lichtdurchlässige und ultrarotreflektierende erste Folie aus fluoriertem Kunststoff und die darüber im Abstand angeordnete zweite Folie aus einem anderen Kunststoff besteht. Die Verwendung mehrerer Folien hat den Vorteil,- daß die äußere Folie den Wind von der zweiten Folie abhält, so daß die gegebenenfalls durch den über die Folie streichenden Wind entstehenden Wärmeverluste gemindert werden. Die äußerste Folie muß nicht aus fluoriertem Kunststoff sein, sondern kann auch aus einem anderen Kunststoff bestehen.
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist auf der sonnenabgewandten Seite des Bleches, in vorteilhafter Weise eine Metallschicht aus Aluminiumfolie vorgesehen, die eine Alu-Reinheit von 99,9 - 99,5$, vorzugsweise 99,8 - 99,7$ aufweist und an ihrer Außenfläche oxydiert ist, wobei die Rauhigkeit der Außenfläche O, 6 - 0, 8 ^m, vorzugsweise 0,7 Am beträgt. Al2O-, ist in seiner dreidimensionalen Ausbildung als Saphir fast ideal durchlässig für Infrarot, und es wurde gefunden, daß dies unter bestimmten Umständen auch für das Eloxal trotz seiner bekannten stöchiometrischen Fehlordnung gilt. Man erzielt dadurch ohne weiteres £ = 11# bei einer mittleren Rauhigkeit über J5jh-m. Nach der vorliegenden Erfindung kann die Emissivität bis oder sogar unter 5# im interessierenden Strahlungsbereich von 4 - 10 Am vermindert werden, wenn man die Oberfläche der Al-Platte auf eine mittlere Rauhigkeit unterhalb von 10$ der Infrarotwellenlänge am Strahlungsmaximum - bei 400K Absorbertemperatur 7S2 hm-, also etwa 0,TUm glättet. Überraschenderweise wurde festgestellt, daß Al-Folien für Verpackungszwecke beim Walzprozess eine so geringe Rauhigkeit erhalten, daß sie ohne Weiterbehandlung zur Unterdrückung der Wärmerückstrahlung verwendet werden können.
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-P-
Die Folien werden am einfachsten auf die Schattenseite des ■Absorbers aufgelegt. Bezüglich der optimalen Reinheit des Al wurde festgestellt, daß zwar Reinst-Aluminium von 99*999$bis 99i99^> optimal leitet und besonders fest haftende AIgO^ - Schichten aufweist und bei Verletzungen sofort regeneriert, aber zu weich ist; ein optimaler* Kompromiss zwischen optischen und antikorrosiven Eigenschaften einerseits, Festigkeit und Preis andererseits besteht bei einer Reinheit von vorzugsweise 99,8 bis 99,1% AI- '> Gehalt. Durch diese erfindungsgemässe Maßnahme gelingt es, die " Emissivität der blanken Seite des Absorbers auf &= 3% zu vermindern« ■
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung besteht das die Sonnenwärme absorbierende Kollektorblech aus zwei spiegelbildlich einander zugeordneten Blechen, in die je eine Hälfte der Kanäle für das Wärmeübertragungsmedium eingearbeitet sind, ."-"■■ wobei die Bleche dicht miteinander verbunden werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kollektorbleche aus Stahlblech bestehen, wobei die der Sonne abgewandte Seite mit Al-Folie bedeckt ist.
Es ist auch vorteilhaft, die Absorberplatten mit eingearbeiteten Flüssigkeitsrohren aus zwei Al-Blechen von je etwa 0,5 mm herzustellen, um eine Optimierung des Wärmeübergangs zwischen Kollektorblech und Wärmeübertragungsmedium und um einen Leichtbau zu - - erreichen. Aus Kostengründen kann man aber auch billigeres Material, z.B. unlegiertes Kesselbau-Stahlblech nehmen, bei dem nur auf der Schattenseite die Oberfläche mit Al-Folie bedeckt ist. Bei dieser Variante wird die Festigkeit von den Stahlblechen übernommen, so daß erfindungsgemäss die Plattierung mit Reinst-Al (ca. 99>99#) durchgeführt werden kann, welches noch festere und regenerationsfähigere AlpO^-Schichten erbringt.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist als Wärmeisolierung des Kollektors besonders vorteilhaft die Verwendung von durch Extrusion hergestellten Polystyrol-Elementen. Das extrudierte Polystyrol hat den Vorzug ausreichender Festigkeit und
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Elastizität. Trotz des Verdichtungsprozesses wiegt eine erfindungsgemäße z.B. zwei cm dicke Wärmedämmplatte nur 86 g/m und · ist durch ihre helle glänzende Oberfläche geeignet Wärmeverluste zu mindern.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
Pig. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau eines erfindungsgemäßen Sonnenenergiekollektors,
Fig. 2 das Absorptionsvermögen verschiedener
Materialien für die Abdeckung des Kollektors
In Fig. 1 besteht das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kollektors aus einem ebenen Blech 2 mit integrierten Rohrleitungen 4,. die miteinander verklebt sind und einen gemeinsamen Anschluß für das einlaufende kalte Wärmeübertragungsmedium und einen gemeinsamen Anschluß 8 für das ablaufende erwärmte Wärmeübertragungsmedium besitzen. Auf der sonnenzugewandten Seite des Bleches 2 ist eine Schwarzfarbenschicht 10 aufgetragen. Zur Minderung von Wärmeverlusten sind im Ausführungsbeispiel über der Schwarzfarbenschicht 10 drei im Abstand übereinander angeordnete, für Sonnenlich durchlässige Abdeckungen 12, 14, 16 vorgesehen. Zur weiteren Minderung von WärmeVerlusten ist die sonnenabgewandte Seite des Bleches 2 mit einer Ultrarot-Strahlung verhindernden Metallschicht 18 und einer Schaumstoffisolierung 20 versehen.
Als Material ist für das Blech 2 Aluminium vorgesehen. Es ist aber auch möglich, ein einfaches Material, wie z.B. Stahlblech, wie es im Kesselbau gebraucht wird, oder auch Kunststoff zu verwenden.
Es ist selbstverständlich und liegt auch im Rahmen der Erfindung, daß der das erwärmte Medium zum Verbraucher, führende
Leitungsabschnitt 8 ausreichend gegen unerwünschten Wärmeverlust isoliert ist, beispielsweise mittels Dämmschichten aus Polystyrol.
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Zur Schwärzung der einen Blechseite findet eine matt-schwarze Farbe Verwendung. Diese Farbe (black velvet) hat unter anderen die Eigenschaft, selbst bei hohen Betriebstemperaturen, wie zum Beispiel 65O0C , monatelang ihr Absorptionsvermögen (95 -98$) beizubehalten. Darüberhinaus erfüllt diese Farbe in vorteilhafter V/eise auch die Forderung, daß durch deren Bindungsmittel ein äußerst minimaler Temperaturabfall erfolgt, d.h. der Temperaturverlust von der schwarzen Farbschicht auf den Farbträger (Blech) ist vernachlässigbar klein. Auch ist die Resistenz gegen korrodierende Bestandteile der Atmosphäre gut. Da sich weiterhin die Farbe nicht nur mit dem Pinsel, sondern nach Verdünnung mit einem Zusatz aufsprühen lässt, betragen die Schwärzungskosten weniger als 1% der Investition für den kompletten Absorber.
In einem gewissen Abstand von der Schwarzfarbenschieht liegt die erste Fluorkunststoff-Folie l6. Diese Folie ist spektralselektiv, d.h. sie hat eine Durchlässigkeit für Sonnenstrahlen größer 90$ und ein Absorptionsvermögen für die Ultrarot-Strahlung der Schwarzfarbenschieht im Wellenlängenbereich 7-10 jusn. größer 90^. Damit wird der Wärmeverlust des Kollektors durch Ultrarot-Rückstrahlung zur Sonne wesentlich gemindert. Oberhalb der Folie 16 im Ausführungsbeispiel ist eine Folie 14 angeordnet, die von ersterer mittels Halterungen im Abstand von ca. 1 - 10 mm gehalten wird, darüber befindet sich im gleichen Abstand eine weitere Folie 12. Die Folien 14 und 12 können ebenfalls aus dem erfindungsgemäßen Fluorkunststoff bestehenj-aus Kostengründen kann jedoch auch ein anderer lichtdurchlässiger und witterungsbeständiger Kunststoff verwendet werden. Die Anordnung dieser zusätzlichen Folien 12, 14 verhindert eine Wärmeableitung durch Konvektion oder durch Wind an die Umgebung. Weiterhin ist die Fluorkunststoff-Folie gekennzeichnet durch eine Temperaturbeständigkeit zwischen 0 und 15O0C und einem spezifischen Gewicht von 1,5 -2,2 g/cm5.
Aufgrund ihrer ausgezeichneten Spektralselektivität werden vorzugsweise Folien aus folgenden Fluorkunststoffen als Abdeckung für Sonnenenergiekollektoren vorgeschlagen:
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-er..
Polyvinylidenfluorid (PVDP), das Mischpolymerisat Äthylen-Chlortrifluoräthylen (ECTFE) und das Mischpolymerisat Äthylen-Tetrafluoräthylen (ETPE).
Auf der sonnenabgewandten Seite des Bleches 2 ist die Metallschicht 18 aufgebracht, nämlich eine Al~Folie deren Oberseiten eine AIpCL,-Schicht mit einer Oberflacnenrauhigkeit von weniger als O,7/wi ι besitzt. Diese Metallschicht verhindert eine Wärmeabstrahlung in Richtung der sonnenabgewandten Seite des Kollektors.
Für die Schaumstoffisolierung wird vorzugsweise extrudiertes Polystyrol verwendet. Extrudiertes Polystyrol ist witterungsbeständig , insbesondere wasserabstoßend, und hat eine sehr niedrige
Wärmeleitzahl.
Bedingt durch die Folie 3.6, die hohe Absorptionsfähigkeit der schwarzen Farbe 12, der Anordnung der Ultrarot-Strahlung verhindernden Metallschicht 18 auf der anderen Blechseite, sowie die isolierende Abschirmung 20 durch Schaumstoff, erfolgt eine intensive Wärmekonzentration im Blech 2. Es wurden bei halbbewölktern Januarhimmel und 8°C im Schatten Temperaturen am Kollektorblech von 75°C erzielt. Dabei betrug das Gewicht eines Quadratmeters Absorbierfläche nur 15,5. kg.
In Fig. 2 ist auf der linken Ordinate das Absorptionsvermögen für elektromagnetische Strahlung in %, auf der rechten Ordinate die spektrale Strahldichte eines strahlenden Körpers in Wm ^sr und auf der Abzisse die Wellenlänge in /m aufgetragen. Die Kurve 50 zeigt die ausgezeichnete Spektralselektivität einer ETFE-Folie, d.h. Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich (3 = 0,3-0,7^m größer 90$ und Absorptionsvermögen größer 90$ im Bereich der Ültrarot-Strahlung von Z= J - 10 ji/m. Zum Vergleich ist in Kurve das Absorptionsvermögen einer Glasplatte und in Kurve 54 das Absorptionsvermögen einer Polyvinylfluorid (PVF)-Folie dargestellt. Aus Kurve 52 und 54 geht hervor, daß Glas und PVF eine Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich und ein ■ Absorptionsvermögen im Bereich 7-10 ΐΛτη kleiner 90# haben und damit weniger gut als ETFE zur Abdeckung von Sonnenenergiekollektoren geeignet sind.
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Als Beispiel für die Ultrarot-Strahlung schwarzer Flächen ist mit Kurve 56 die spektrale Strahldichte eines schwarzen Körpers mit einer Temperatur von 4OOK (- .127 0C) aufgezeichnet.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    !..Kollektor für Sonnenwärme, mit einem geschwärzten Blech, dessen der Sonne zugewandte Fläche eine spektralselektive Abdeckung zugeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß die auf der sonnenzugewandten Fläche des Bleches (2) aufgebrachte Schwarzfarbe(10) ein Absorptionsvermögen von 95 - 98^, eine Temperaturbeständigkeit von 0 - 1700C und einen im wesentlichen verlüstfreien Wärmeübergang auf das Blech aufweist, daß weiterhin die Abdeckung (12,14,16) aus wenigstens einer fluorierten Kunststoff-Folie besteht, daß ferner auf der sonnenabgewandten Fläche des Bleches (2) eine Ultrarot-Strahlung verhindernde Metallschicht (18) angeordnet ist und daß ferner die Metallschicht (18) mit einer Wärmeisolierung (20) abgedeckt ist.
    2. Kollektor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß als Abdeckung zwei oder mehrere Kunststofffolien (12,14,16) vorgesehen sind, wobei die dem Blech (2) zugeordnete lichtdurchlässige und ultrarotreflektierende erste Folie (l6) aus fluoriertem Kunststoff und die darüber im Abstand angeordnete zweite Folie (14) und dritte Folie (12) aus einem anderen Kunststoff bestehen.
    5. Kollektor nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (24) aus einer Aluminium-Folie besteht, die eine Reinheit von 99,9 - 99* 5#» vorzugsweise 99*8 - 99*7/^ aufweist und an ihrer Außenfläche oxydiert ist, wobei die Rauhigkeit der Außenfläche 0,6 - 0,8'/^m vorzugsweise 0,7 um, beträgt.
    4. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis J>, dadurch gekennzeichnet, daß das Kollektorblech (2) auf der sonnenabgewandten Seite eine Isolierung (20) aus extrudiertem Polystyrol aufweist.
    - 11 609831/0430
    - «r- 2507594
    5. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Kollektorblech aus zwei ■ spiegelbildlich einander zugeordneten Blechen besteht, in die Je eine Hälfte der Kanäle für das Wärmeübertragungsmedium eingearbeitet sind und daß die Blechhälften dicht miteinander verbunden sind.
    6. Kollektor nach Anspruch 5*
    dadurch gekennzeichnet, daß die zur Sonne gerichtete Hälfte des Blechkollektors aus Eisen und die andere.aus Aluminium besteht. -
    60983 1/0430
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