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Sonnenkollektor
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Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor, insbesondere Flachkollektor,
mit einem Kollektorkasten mit Anschlüssen und Kanälen für ein Wärmeträgermedium,
mit einer an der Oberseite angeordneten lichtdurchlässigen Abdeckung und mit einer
an der Unterseite angeordneten Wärmeisolier -schicht.
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Die Wirkung derartiger Sonnenkollektoren beruht darauf, daß Wärmeträgermedium
durch die Anschlüsse und Kanäle hindurchgeleitet und dabei durch die durch die lichtdurchlässige
Abdeckung hindurch in den Kollektorkasten eintretende Sonnenstrahlung erwärmt wird.
Solche Sonnenkollektoren sind in verschiedensten Ausführungen bekannt. Im normalen
Betriebszustand stellt sich im Kollektorkasten eine Temperatur ein, die von der
Intensität der Sonneneinstrahlung und von der Durchflußmenge des Wärmeträgermediums
abhängt und üblicherweise in einen Bereich von ca. So ... 70 C gelegt wird. Bei
höheren Temperaturen nimmt der Wärmewirkungsgrad erheblich ab. Wird ein Sonnenkollektor
der beschriebenen Gattung aus irgend einem Grunde stillgelegt oder erfolgt adgrund
einer
Störung eine Unterbrechung des Durchflusses des Wärmeträgermediums,
so wird aus dem Sonnenkollektor die eingestrahlte Energie nicht mehr abgeführt.
Das hat zur Folge, daß erhebliche Übertemperaturen auftreten, die bis zu ca. 2ovo0
C erreichen können. Diese Temperaturen führen zu Beeinträchtigungen an Kollektorkasten,
Isoliermaterial, Abdeckung und Dichtungen durch übermäßige Wärmebelastung, außerdem
kommt es zur Ausbildung eines beträchtlichen Überdrucks im Kollektorkasten, der
außerdem zu unzulässigen mechanischen Beanspruchungen führen kann. Diesen Belastungen
kann bei den bekannten Sonnenkollektoren nur dadurch vorgebeugt werden, daß für
einen beständigen Durchsatz des Wärmeträgermediums gesorgt wird, was folglich unerwünscht
und bei Störfällen nichtfUgewährleisten ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sonnenkollektor der
eingangs erläuterten Gattung so weiterzubilden, daß auch im Stillstand, d. h. bei
Unterbrechung des Durnhflusses des Wärmeträgermediums keine unzulässigen Temperaturbelastungen
auftreten können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß vor allem dadurch gelöst, daß im
Bereich der Wärmeisolierschicht (mit der der Sonnenkollektor gegenüber der Unterlage,
z. B. einem Dach thermisch isöiert ist) ein Wärmespeicherelement angeordnet ist.
Im Normalbetrieb wird das Wärme speicherelement nur in dem Maße erwärmt, wie Wärme
durch die Wärmeisolierschicht hindurch in die Unterlage abfließt. Eine unmittelbare
Erwärmung des Wärmespeicherelements durch Sonneneinstrahlung findet im wesentlichen
nicht statt, da aufgrund der Auslegung des Sonnenkollektors im wesentlichen alle
eingestrahlte Sonnenenergie auf das Wärmeträgermedium übergeht. Erst dann, wenn
in Folge einer Unterbrechung des Durchflusses des Wärmeträgermediums dieses keine
Energie mehr aus dem Sonnenkollektor abführt, erfolgt durch Wärmeleitung in zunehmendem
Maße eine Erwärmung auch des Wärmespeicherelements, das nach Maßgabe seiner Wärmekapazität~Wärme
aufnimmt und damit eine unzulässige Erwärmung
des Sonnenkollektors
verhindert.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors
sieht vor, daß das Wärmespeicherelement ein mit zunehmender Temperatur zunehmendes
Wärmeleitvermögen aufweist. Damit wirkt das Wärmespeicherelement gleichsam als Schalter:
Wenn infolge einer Unterbrechung des Durchflusses des Wärmeträgermediums das Wärmespeicherelement
sich erwärmt, nimmt zugleich dessen Wärmeleitvermögen zu, so daß in zunehmendem
Maße Wärme an die Rückseite des Kollektors abgegeben wird. In Verbindung mit dem
bei zunehmender Temperatur abnehmenden Wärmewirkungsgrad der üblichen Sonnenkollektoren
läßt dieser Effekt erreichen,daß eine bestimmte, vorgebbare Temperatur, bei der
noch keine Beeinträchtigungen erfolgen, unter den gegebenen Einstrahlungsbedingungen
auf keinen Fall überschritten wird. In jedem Fall wird, sobald der Normalbetrieb
des Sonnenkollektors wieder aufgenommen wird, die im Wärmespeicherelement enthaltene
Wärme teils an die Unterlage, teils auch an das Wärmeträgermedium abgegeben, bis
wieder thermisches Gleichgewicht herrscht.
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Vorteilhafterweise wird das Wärmespeicherelement so eingerichtet,
daß die Wärmespeicherung unter Aufnahme von Umwandlungswärme erfolgt. Dabei kommen
sowohl physikalische Umwandlungen (Schmelzen, Verdampfen usw.) als auch chemische
Umwandlungen in Frage, die selbstverständlich reversibel verlaufen müssen. Als besonders
vorteilhaft hat sich eine Ausführungsform erwiesen, bei der das Wärmespeicherelement
aus einem geschlossenen Behälter und einer in den Behälter eingebrachten, unter
Betriebsbedingungen des Sonnenkollektors schmelzbaren Speichersubstanz besteht.
Die Schmelzeigenschaften der Speichersubstanz werden dabei selbstverständlich so
gewählt, daß diese bei der vorgesehenen Betriebstemperatur sich noch im erstarrten
Zustand befindet und erst bei Überschreiten dieser Temperatur in zunehmendem Maße
adschmilzt. Um den erläuterten Schalter-Effekt zu verwirklichen, empfiehlt es sich
weiter,
eine Speichersubstanz zu wählen, die unter Erhöhung ihres
Leit vermögens schmelzbar ist. Als besonders kostengünstige und technologisch unproblematische
Speichersubstanz mit dieser Eigenschaft kommt Paraffin in Betracht. Paraffin hat
die Eigenschaft, in erstarrtem Zustand ein guter Wärmeisolator zu sein, im flüssigen
Zustand dagegen Wärme gut zu leiten. Es kommt hinzu, daß Paraffine keinen scharfen
Schmelzpunkt sondern einen ausgedehnten Erweichungsbereich besitzen, was zu einer
noch besseren Temperaturstabilisierung eines erfindungsgemäßen Sonnenkollektors
führt.
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Das Wärmespeicherelement kann sich selbstverständlich über die ganze
Grundfläche des Sonnenkollektors erstrecken. Kostengünstiger und im allgemeinen,
insbesondere bei Ausnutzung des erläuterten Schalter-Effekts, ausreichend ist es
jedoch, wenn das Wärmespeicherelement sich nur über einen Teil der Grundfläche des
Kollektorkastens erstreckt. Dabei kann die Flächenausdehnuhg des Wärmespeicherelements
wesentlich kleiner als diejenige des Sonnenkollektors sein. Wesentlich kleiner bedeutet
dabei, daß die Grundfläche des Sonnenkollektors um ein Mehrfaches größer ist als
die Fläche des Wärmespeicherelements. Das optimale Flächenverhältnis hängt von Betriebs-und
Einstrahlungsbedingungen ab und hängt unter mitteleuropäischen Verhältnissen vorzugsweise
ca. 1: 30. Dieses optimale Flächenverhältnis hängt selbstverständlich auch vom jeweiligen
Kollektor ab. Es empfiehlt sich, das Wärmespeicherelement bezüglich des Sonnenkollektors
im wesentlichen mittig anzuordnen, um gleichmäßige Temperaturverhältnisse zu erreichen.
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Vorzugsweise wird das wärmespeicherelement in die Wärmeisolierschicht
eingebettet, in besonders einfacher Weise dadurch, daß das Wärmespeicherelement
in eine Ausnehmung der Wärmeisolierschicht eingesetzt wird und mit dieser an der
Unterseite bündig abschließt. Dabei kann zur Anpassung der Wärmeleitwerhältnisse
zwischen Wärmespeicherelement und Kollektorkasten bzw. Absorber eine Wärmeisolierschicht
zwischengeschaltet bleiben, die beispielsweise aus einem entsprechend geschwächten
Bereich der ohnehin an der Unterseite des Sonnenkollektors vorgesehenen Wärmeisolierschicht
bestehen kann. In der Regel
empfiehlt es sich aber, einen möglichst
unmittelbaren Wärmeübergang zwischen Kollektorkasten, Wärmespeicherelement und Absorber,
d.h. ohne zusätzliche Isolierschicht, vorzusehen.
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Das ermöglicht durch rascheren Wärmeübergang eine weitere Verkleinerung
des Wärmespeicherelements.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen Figur a einen Querschnitt durch einen Sonnenkollektor, Figur
2 ein Wärmespeicherelement in perspektivischer Darstellung.
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Bei dem in Figur 1 dargestellten Sonnenkollektor handelt es sich um
einen Flachkollektor, der in seinem grundsätzlichen Aufbau aus einem Kollektorkasten
1, einer an der Oberseite des Kollektorkastens 1 angeordneten lichtdurchlässigen
Abdeckung 2 und einer an der Unterseite des Kollektorkastens 1 angeordneten Wärmeisolierschicht
3 besteht. Eine im Kollektorkasten 1 vorgesehene Absorberschicht 4,die aus einer
Wärmeleitfläche 5 mit Kanälen 6 besteht, nimmt die eingestrahlte Sonnenenergie auf
und überträgt sie auf eine in den Kanälen 6 zirkulierendes Wärmeträgermedium, im
allgemeinen Wasser. Die Kanäle 6 sind durch ( nicht dargestellte) Anschlüsse an
eine entsprechende Anlage angeschlossen, durch die nach Maßgabe der vorgesehenen
Betriebstemperatur, der Sonneneinstrahlung usw. das Wärmeträgermedium umgewälzt
wird.
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Wie die Figurl erkennen läßt, ist im Bereich der Wärmeisolieschicht
3 ein Wärmespeicherelement 7 angeordnet, daß eine gegenüber den Kollektorkasten
1 wesentlich geringere Grundfläche aufweist und mittig unter diesem angeordnet ist.
Das Wärmespeicherelement 7 ist in die Wärmeisolierschicht 3 eingebettet, und zwar
dadurch, daß es in eine Ausnehmung 8 der Wärmeisolierschicht 3 eingesetzt ist und
unterseitig mit dieser
bündig abschließt. Die Ausnehmung 8 bildet
einen Durchbruch durch die Wärmeisolierschicht, sodaß das Wärmespeicherelement 7
in unmittelbarem wärmeleitendem Kontakt mit- Kollektorkasten 1 und Absorber steht.
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Das Wärmespeicherelement 7, das im einzelnen in Figur 2 dargestellt
ist, besteht im wesentlichen aus eine allseits geschlossenen Behälter lo und einer
in den Behälter lo eingebrachten Speichersubstanz 11. Der Behälter 1o besteht aus
zwei Halbschalen 12 a, b, die mittels umlaufender Flansche 13 miteinander verklebt,
verschweißt oder in sonst geeigneter Weise verbunden sind. Die eine (12 a) der beiden
Halbschalen weist eine Einfüllöffnung 14 auf, die an ihrem Rand 15 aufgebördelt
und durch einen Deckel 16, im Ausführungsbeispiel in Form einer auf den Rand 15
aufgeklebten bzw. aufgeschweißten flachen Platte besteht.
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Die beiden Halbschalen 12 lassen sich beispielsweise durch Verformung
von Plattenmaterial aus geeignetem Kunststoff, beispielsweise Polyäthylen, von verhältnismäßig
geringer Stärke ( z. B. 2 mm ) herstellen.
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Die in dem Behälter lo enthaltene Speichersubstanz 11 besteht aus
Paraffin, mit dem der Behälter lo vor dem Verschließen der Einzelöffnung 14 ausgegossen
worden ist.
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Das Paraffin hat die Eigenschaft, bei Temperaturerhöhung über einen
verhältnismäßig breiten Erweichungsbereich hinweg vom festen in den flüssigen Zustand
überzugehen, dabei Schmelzwärme aufzunehmen und zugleich sein Wärmeleitvermögen
beträchtlich zu vergrößern. Infolgedessen wird bei Unterbrechung des Durchflusses
des Wärmeträgermediums in den Kanälen 6 eingestrahlte Energie zunächst im Wärmespeicherelement
7 gespeichert. Dabei erweicht und schmilzt das Paraffin 11, so daß in zunehmendem
Maße Wärme an die (nicht dargestellte ) Unterlage abgeführt wird. Im dargestellten
Ausfühangsbeispiel wird weißes Paraffin mit einem Erweidhungspunkt von 580 C vorgesehen.
Bei dieser Temperatur, die im
wesentlichen der Betriebstemperatur
des Sonnenkollektors entspricht besitzt das Paraffin noch ein sehr gutes Wärmeisolationsvermögen.
Das bei Temperaturerhöhung zunehmende Wärmeleitvermögen des Paraffins führt in Verbindung
mit dem bei höheren Temperaturen abnehmendem Wärmewirkungsgrad des Sonnenkollektors
dazu, daß im dargestellten Ausführungsbeispiel bei fehlendem Durchfluß von Wärmeträgermedium
die Temperatur des Sonnenkollektors bei ca. 120 ° C stabilisiert wird. Bei dieser
Temperatur, die noch zu keiner Schädigung führt, sind die Wärmeverluste so hoch,
daß weitere Einstrahlung keine Temperaturzunahme zur Folge hat.