DE2725633A1 - Flaechiger sonnenenergiesammler mit geringem waermekontakt zwischen absorber und rand des sammlers - Google Patents

Flaechiger sonnenenergiesammler mit geringem waermekontakt zwischen absorber und rand des sammlers

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DE2725633A1 DE19772725633 DE2725633A DE2725633A1 DE 2725633 A1 DE2725633 A1 DE 2725633A1 DE 19772725633 DE19772725633 DE 19772725633 DE 2725633 A DE2725633 A DE 2725633A DE 2725633 A1 DE2725633 A1 DE 2725633A1
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Description

Die Erfindung betrifft einen flachen Sonnenenergiesammler, der die Sonnenstrahlung in Wärme umwandett. Flache Solarkollektoren zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärme bestehen aus einem Absorber, einer rückseitigen Wärmeisolierung, einer für Sonnenstrahlung transparenten Abdeckung und einer Kasten- oder Rahmenkonstruktion, welche die Teile miteinander verbindet.
Der Absorber ist meistens eine metallische Fläche, mit der ein Rohrsystem in engem Wärmekontakt steht, durch welches ein Wärm<*- trägermedium fließt, welches die in Wärme umgewandelte Strahlungsenergie zum Verbraucher transportiert. Der Absorber ist auf der zur Sonne gewandten Seite geschwärzt. Hier wird die Strahlung in Wärme umgewandelt.
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Der von der Sonnenstrahlung erwärmte Absorber gibt seine Wärme nicht nur an das Transportmedium ab, sondern verliert auch Wärme an die Umgebung. Die der einfallenden Sonnenstrahlung abgewandte Seite ist auf einfache Weise gegen Wärmeverluste zu schützen. Herkömmliche Isolierstoffe, wie Glas oder Steinwolle oder Schaumstoffe in geeigneter Stärke, bieten gute Wärmeisolation bei niedrigen Kosten.
Schwieriger ist die Seite des Absorbers gegen Wärmeverluste zu schützen, welche der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist. Auf dieser Seite des Absorbers angeordnete, wärmedämmende Vorrichtungen müssen nämlich der Forderung genügen, daß die Strahlung diese wärmedämmenden Anordnungen möglichst ungehindert passieren kann, d.h. sie müssen weitgehend transparent fur Sonnenstrahlung sein. Als Abdeckung werden deshalb Glasscheiben, Kunststoffscheiben oder Folien verwendet.
Neben den Wärmeverlusten zur Ruckseite des Absorbers und durch die transparente Abdeckung hindurch fließt jedoch auch Wärme über den Rand ab. Ein Sammler mit hohem Wirkungsgrad zeichnet sich also dadurch aus, daß ein möglichst großer Teil der einfallenden Sonnenstrahlung durch die transparente Abdeckung hindurch bis zum Absorber gelangt und dort möglichst vollständig absorbiert und in Wärme umgewandelt wird, die überwiegend als Nutzwärme zur Verfugung steht, während die Wärmeverluste über Vorder- und Rückseite sowie über den Rand klein sind.
Neben diesen strahlungsphysikalischen und Wärmeübergangsforderungen soll ein guter Sammler auch noch andere Eigenschaften haben. Vor allem sollte seine Lebensdauer lang sein. Die verwendeten Materialien müssen so ausgewählt sein, daß sie den thermischen Belastungen ge-
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wachsen sind und nicht korrodieren. Ein besonders kritischer Punkt ist hierbei der Raum zwischen Absorber und transparenter Abdeckung. Erwärmt sich der Sammler bei Sonneneinstrahlung, so steigt auch die Temperatur in diesem Zwischenraum an; die darin befindliche Luft dehnt sich aus und wird nach außen strömen, bis ein Druckausgleich mit der Atmosphäre erreicht ist, sofern der Zwischenraum nicht vollständig gasdicht zur Außenwelt abgeschlossen ist. Nach Abkühlung strömt Luft von außen nach innen. Man sagt auch, "der Sammler atmet".
Auf diese Weise kann es zur gefährlichen Schwitzwasserbildung im Raum zwischen Absorber und transparenter Abdeckung kommen. Schwitzwasser mindert nicht nur den Wirkungsgrad des Sammlers, sondern wirkt vor allem korrosiv auf die Schwärzung des Absorbers, das Absorberblech, die Dichtungsmassen etc..
Die Bildung von Schwitzwasser kann man dadurch verhindern, daß der Raum zwischen Absorber und transparenter Abdeckung gut belüftet ist. Das führt allerdings langfristig zu Verstaubungen und Verschmutzungen der an diesen Raum angrenzenden Teile, d.h. der transparenten Abdeckung und des Absorbers, was den Wirkungsgrad herabsetzt.
Ein anderer Weg besteht darin, den Raum zwischen Absorber und transparenter Abdeckung gegen die Außenwelt gasdicht abzuschließen. Diese Aufgabe ist schwierig zu lösen, da alle organischen Kunststoffe Wasserdampf mehr oder minder stark diffundieren lassen. Klebeflächen sollten dünn und breitflächig ausgeführt werden.
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Es gibt bislang zwei prinzipielle Möglichkeiten, um den Raum
zwischen Absorber und transparenter Abdeckung gasdicht - vornehmlich wasserdampfdicht - zur Außenwelt abzuschließen:
1. Der metallische Absorber wird über Abstandsstege (meist auch metallisch) mit der transparenten Abdeckung (meist Glasscheiben) verklebt (s.Fig, 1).
2. Der Absorber wird in einen Kasten eingebracht, der seinerseits mit der transparenten Abdeckung gasdicht verbunden ist. Der Kasten ist meist aus Metall gefertigt (s.Fig. 2).
Beide genannten Konstruktionsarten sind mit Nachteilen verbunden.
Im ersten Fall (s.Fig. 1) ist der thermische Kontakt zwischen dem heißen Absorber und der Randkonstruktion sehr hoch, so daß die Warmeverluste über den Rand außerordentlich hoch sind.
Im zweiten Fall (s.Fig. 2) ist der Absorber von der Randkonstruktion zwar thermisch gut isoliert, es kommt aber die schwierige Aufgabe hinzu, die Zuleitung und Ableitung des Wärmeträgermediums durch die Kastenwand oder den Boden zu fuhren. Dies sollte so geschehen, daß ein möglichst geringer Wärmeübergang von den Zu- und Ableitungen auf den metallisehen Kasten erfolgt, bei gleichzeitiger Erhaltung eines gasdichten Abschlusses.- Solche Durchfuhrungen sind daher kostspielig und aufwendig bei der Herstellung.
Ein weiterer Nachteil ist das große Gasvolumen - zumindest bei der Verwendung nicht geschlossenporiger Isoliermaterialien, wie z.B. Glaswolle.
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Erwärmt sich der Sammler bei Sonneneinstrahlung, so kann der entstehende Druck durch Auswölben des Kastenbodens und der Glasabdeckung nach außen nur geringfügig abgebaut werden. Diese Volumenvergrößerung ist, bezogen auf das große Ausgangsvolumen, zu gering. Bei der Anordnung nach Fig, 1 ist dies wesentlich günstiger. Auswölbungen von Abdeckung und Absorber bauen den Druck ab, da sie eine große Volumenänderung - bezogen auf das Ausgangsvolumen bedeuten. '
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Vorteile des einfachen Konstruktionsprinzips eines Sammlers nach Fig. 1 mit den Vorteilen des geringen Wärmeübergangs zwischen Absorber und Randaufbau eines Sammlers nach Fig. 2 zu vereinen; d.h. im wesentlichen die Wärmeverluste zum Rand des Sammlers klein zu halten, gleichzeitig aber eine einfache Verbindung mit dem Rand zu erreichen, und außerdem einen gasdichten Abschluß zum Raum zwischen Absorber und transparenter Abdeckung zu gewährleisten.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch eine Konstruktion des Absorbers entsprechend den Patentansprüchen erreicht.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Konstruktion gemäß der Erfindung.
An einer Stelle des Absorbers, die vom Rand etwas (z.B. 5~10 cm) entfernt ist, zweigt ein Blech 23 nach unten ab, das wellenförmig nach außen geführt und nach oben gebogen ist und über den Rand des oberen Absorberbleches 13 hinausragt. Dieses Blech 23 ist an dieser Stelle über den Abstandssteg 5 mit der Abdeckung 1 verbunden.
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Das Blech 23 ist vorzugsweise mit dem Absorber fest verschweißt, damit die geforderte Gasdichtigkeit gewährleistet ist. Vorzugsweise ist der Absorber aus zwei Blechen 13 und 23 gefertigt, die in einer Presse mit dem Kanalsystem und der Randausbildung im Sinne der Erfindung versehen worden sind und anschließend miteinander verschweißt wurden.
Das Blech 23 besteht vorzugsweise aus einem Metall mit niedrigem Wärmeleitvermögen; Edelstahle haben z.B. - verglichen mit Aluminium eine 10fach niedrigere Wärmeleitfähigkeit. Auch sollte das Blech möglichst dünn sein, damit wenig Wärme zum Rand verloren geht. Die Wellenform des Bleches 23 verlängert den Weg, den Wärmeströme vom Absorber zum Rand durchlaufen müßten und mindern damit ebenfalls Wärmeverluste vom Absorber 13 zum Rand.
Zwischen dem oberen Absorberblech 13 und dem unteren Absorberblech ist ein Wärmeisolationsmaterial 9 angeordnet (z.B. Glaswolle), um die Wärmeübertragung zwischen beiden weitgehend zu unterbinden.
Der Luftspalt zwischen dem oberen Blech 13 und der Randkonstruktion soll 1 bis 2 cm betragen, damit wenig Wärme übertragen wird.
Ein weiterer Vorteil einer Absorberrandkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die wellenförmige Ausführung des unteren Bleches 23 die auf den Randaufbau übertragenen Spannungen mildert, welche von den unterschiedlichen Ausdehnungen des Absorbers und der Glasabdeckung bei Erwärmung herrühren.
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Gleichermaßen kann durch diese Ausführung auch der Druckanstieg im Raum zwischen Absorber und transparenter Abdeckung bei Erwärmung abgebaut werden, da der Absorber nach unten ausweicht.
Die Ergebnisse einer Berechnung der Wärmeverluste unter Berücksichtigung der natürlich immer noch möglichen Wärmeleitung über das untere Blech 23 sind in der Tabelle wiedergegeben.
Ein Sammler mit den Abmessungen 1 χ 1,5 m hat einen Umfang von 5 m. Vereinfachend denkt man sich diesen Rand gestreckt und nimmt verschiedene Blechdicken (0,5 und 0,3 mm), sowie verschiedene Längen for das untere Blech 23 an; gemeint ist die Strecke zwischen letztem Kontakt am Absorber (Punkt A in Fig. 3) und dem Kontakt am Rand (Punkt B in Fig. 3).
Die Tabelle beruht auf der Annahme von V2A-Stahl mit einer Wärmeleitfähigkeit Λ = 21 [w/mKJ als Material des Bleches. Als Temperaturdifferenz zwischen Punkt A und B sind 50 und 100 C angenommen worden.
Es geht aus der Tabelle klar hervor, daß bei geeigneten Konstruktionsparametern die Wärmeverluste über den Weg des unteren Bleches 23
sehr klein - verglichen mit der auf 1,5 m Sammlerfläche auffallenden Strahlung (z.B. 750 W/m2 bei halber Intensität der maximal möglichen Einstrahlung) - sind.
Bei Warmwasserbereitung mit einem solchen Sammler ist ^T sicher kleiner als 500C. Mit einer Blechstärke von 0,5 mm und einer Länge des unteren Bleches von 10 cm ergeben sich Verluste von weniger als 30 W/h.
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Gemäß einer speziellen Ausfuhrungsform der Erfindung kann das Absorberblech 13 in dem Bereich zwischen seinem äußeren Rand und dem ersten Flüssigkeitskanal (in Fig. 3 etwa Punkt A) verdickt sein, um dort die Wärmeleitung zu verbessern. Diese Verdickung kann erzielt werden z.B. durch Aufnieten eines weiteren Bleches, Umfalzen des Randes etc..
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Ausführungsbeispiele
1. Flachsammler mit Edelstahlabsorber
Wie in Fig. 3 dargestellt, ist der Absorber aus zwei Edelstahlblechen 13 und 23 von 0,5 mm Stärke gefertigt, die vor dem Zusammenfügen in einer Presse mit dem gewünschten Kanal system für das Wärmeträgermedium und der Randausführung gemäß der Erfindung versehen wurden. Die beiden Bleche sind so verschweißt, daß das Kanalsystem dicht ist. Als Material wurde \AA gewählt. Der Absorber ist über ein Aluminium-Abstandsprofil 5 mit einer Glasscheibe 6 verklebt. Eine Dichtungsmasse A bildet eine zusätzliche Dampfsperre und hält gleichzeitig den Randschutz. Unten ist eine Schaumisolation angebracht. Der Abstand der Glasscheibe vom Absorber beträgt 20 mm.
Am Rand ist zwischen dem unteren Blech 23 und dem obern Blech 13 Glaswolle als Isoliermaterial 9 gestopft.
2. Flachsammler mit Aluminium-Rollband-Absorber und am Absorber befestigtem Edel stahl boden
Bei diesen ist ein handelsüblicher Aluminium-Rollband-Absorber 33 verwendet worden, der fest mit einem Edelstahlbodenblech 23 verbunden ist. Die Zuleitung und Ableitung für das Wärmeträgermedium des Aluminium-Rollband-Absorbers sind durch das Edel stahl bodenblech mit Klemmverschraubungen so hindurchgeführt worden, daß diese Verbindung gasdicht ist. Das Edelstahlbodenblech 23 ist am Rande gemäß der Erfindung verformt. Zwischen Absorber 13 und Bodenblech 23 ist Glaswolle als Isoliermaterial 9 gestopft.
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Tabelle Stündliche Wärmeverluste Qy eines Sammlers (Im χ 1,5 m) zum Rand vom Absorber über das untere Blech
O (O CO
V2A Stahl
S Abstand zwischen A und B
d Dicke des Bleches
Δ T Temperaturdifferenz zwischen A und B
Q [w] S - 3 cm
S ■ 6 cm
S = 10 cm		 Δ Τ = 10O0C /JT- 50°C
d * 0,5 mm S = 3 cm
S= 6 cm
S = 10 cm		 175
87,5
52,7		 87,50
43,8
26,3
d * 0,3 mm 105
52,5
31,7		 52,5
26,3
15,8
-Kb-
Leerseite

Claims (9)

  1. Patentansprüche
  2. 2. Sonnenenergiesammler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen Absorber und der transparenten Abdeckscheibe gegen die Außenwelt gasdicht abgeschlossen ist.
  3. 3. Sonnenenergiesammler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber mit dem darunter liegenden Randverbindungsblech zu einer Einheit verschweißt ist.
  4. 4. Sonnenenergiesammler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein herkömmlicher Absorber fest mit einem Randverbindungsblech verbunden ist.
  5. 5. Sonnenenergiesammler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorber- und/oder das Randverbindungsblech aus Edelstahl bestehen.
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    ORJGiNAt INSPECTED
    -Tr-
  6. 6. Sonnenenergiesammler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen Absorber und Randverbindungsblech mit einem Wärmeisolationsmaterial ausgefüllt ist.
  7. 7. Sonnenenergiesammler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial Glaswolle ist.
  8. 8. Sonnenenergiesammler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Randverbindungsblech eine gewellte Form hat.
  9. 9. Sonnenenergiesammler nach einem der Ansprüche 1 bis 8» dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber entlang seines Randes bis zum ersten Flüssigkeitskanal verdickt ist, so daß die Wärmeleitung in diesem Bereich verbessert ist,
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DE19772725633 1977-06-07 1977-06-07 Flaechiger sonnenenergiesammler mit geringem waermekontakt zwischen absorber und rand des sammlers Withdrawn DE2725633A1 (de)

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