DE2725633A1 - Flaechiger sonnenenergiesammler mit geringem waermekontakt zwischen absorber und rand des sammlers - Google Patents
Flaechiger sonnenenergiesammler mit geringem waermekontakt zwischen absorber und rand des sammlersInfo
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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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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).
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.
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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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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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)
- Patentansprüche
- 2. Sonnenenergiesammler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen Absorber und der transparenten Abdeckscheibe gegen die Außenwelt gasdicht abgeschlossen ist.
- 3. Sonnenenergiesammler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber mit dem darunter liegenden Randverbindungsblech zu einer Einheit verschweißt ist.
- 4. Sonnenenergiesammler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein herkömmlicher Absorber fest mit einem Randverbindungsblech verbunden ist.
- 5. Sonnenenergiesammler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorber- und/oder das Randverbindungsblech aus Edelstahl bestehen.809850/0345ORJGiNAt INSPECTED-Tr-
- 6. Sonnenenergiesammler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen Absorber und Randverbindungsblech mit einem Wärmeisolationsmaterial ausgefüllt ist.
- 7. Sonnenenergiesammler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial Glaswolle ist.
- 8. Sonnenenergiesammler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Randverbindungsblech eine gewellte Form hat.
- 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,809850/0345
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