WO2006106139A1

WO2006106139A1 - Sonnenkollektor

Info

Publication number: WO2006106139A1
Application number: PCT/EP2006/061420
Authority: WO
Inventors: Thomas Beikircher
Original assignee: Zae Bayern Bay. Zentrum Für Angewandte Energieforschung E.V.
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2006-10-12
Also published as: DE202005005631U1

Abstract

Es wird einen Sonnenkollektor mit hoher Betriebssicherheit angegeben. Der Sonnenkollektor umfasst eine Abschatteinrichtung (7), die wenigstens teilweise in dem Kollektorgehäuse (1) angeordnet ist. Damit bietet die Abschatteinrichtung (7) keine Angriffsflächen für Windböen. Vorzugsweise ist die die Abschatteinrichtung (7) vollständig in dem geschlossenen Kollektorgehäuse (1) angeordnet. Damit kann der Sonnenkollektor als ein Teil montiert werden. Es sind keine zusätzlichen Montagearbeiten für die Abschatteinrichtung notwendig. Die Abschatteinrichtung (7) umfasst eine Folie die im Bedarfsfall über die Absorbervorderseite (3a) gespannt werden kann und damit den Absorber (3) abschattet und eine Überhitzung verhindert. Die Folie kann auch als Endlosfolie ausgebildet sein.

Description

Sonnenkollektor

Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor zur Umwandlung der Strah- lungsenergie der Sonne in Wärme nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekannte Sonnenkollektoren werden im Rahmen üblicher solarthermischer Systeme zur Warmwasserbereitung im Wohnbereich eingesetzt. Ein solches System besteht gewöhnlich aus Kollektor(en), Wärmeträgermedium, Rohrleitungssystem, Umwälzpumpe, Wärmetauscher, Ausdehnungsgefäß und Wärmespeicher. Bei fehlender oder nur geringer Wärmeabnahme und hoher Sonneneinstrahlung (z.B. während einer Urlaubsperiode oder bei Ausfall der Umwälzpumpen) gerät ein solches System in Stillstand, was zu einer Überhitzung des Systems führt. Dabei kann sich die Temperatur an bestimmten Stellen des Systems so erhöhen (bis über 200⁰C), dass irreversible Schäden an einzelnen Komponenten auftreten. Diese sogenannte Stillstandsproblematik ist seit längerem bekannt, hat sich jedoch in den letzten Jahren deutlich verschärft, da die eingesetzten Sonnenkollektoren immer effizienter werden, wodurch sie höhere Stillstandstemperaturen erreichen. Gleichzeitig werden Kollektorsysteme im Zuge einer angestrebten nachhaltigen Energie- Versorgung mit höheren solaren Deckungsanteile (am Gesamtenergiebedarf), verbunden mit größeren Kollektorflächen realisiert. So fördert die Bundesregierung mit ihrem Programm „Solarthermie2000plus" explizit die Errichtung großer thermischer Solaranlagen (ab 100 m²) mit höheren Arbeitstemperaturen und hohem solaren Deckungsanteil von 10-30% für Anlagen ohne, und von 60% für Anlagen mit saisonaler Wärmespeicherung [O].

Mit thermischen Kollektoren werden auch sogenannte Kombianlagen gebaut, die im Winter auch Heizwärme solar bereitstellen. Durch die höhere solare Deckung und die angestrebten höheren Betriebstemperaturen treten bei derartigen Anlagen im Sommer wegen des fehlenden Heizungsbedarfs zwangs- läufig Stillstands- und Überhitzungssituationen gehäuft auf [1]. Diese Pro- blematik tritt auch bei anderen solaren Anlagentypen, insbesondere mit höheren Betriebstemperaturen (Prozesswärmeerzeugung und Klimatisierung) auf. In der Fachliteratur wird hierbei Materialverschleiß bzw. Materialzerstörung an folgenden Komponenten beschrieben:

1 Wärmetauscher durch Verkalkung [1].

2 Ausdehnungsgefäß durch Zerstörung der Membran [2].

3 Wärmeträgermedium durch chemische Degradation oder Pyrolyse [3,4].

4 Umwälzpumpen durch Zerstörung der beweglichen Teile. Eine höhere Temperaturbeständigkeit ist hier mit deutlich höheren Kosten verbunden [5].

5 Rohrleitungen und Kollektoren durch Dampfschläge [6,7,9].

6 Thermische Zerstörung der Wärmedämmung.

Die umfangreiche Literatur belegt die große praktische Bedeutung dieser Problematik. Ihre Lösung ist Voraussetzung für eine Verbreitung von Kombianlagen, die derzeit vom Bundesministerium als sehr effektive Möglichkeit zur angestrebten solaren Substitution konventioneller Energiequellen eingestuft wird, und stellt eine große technische Herausforderung dar. Zwar exi- stieren auf dem Markt sogenannte eigensichere Konzepte, die i.d.R. auf dem Drain-Back-Verfahren beruhen [10] und bei Stillstand eine Entleerung des Wärmeträgers aus dem solaren System mit anschließender Wiederbefüllung beinhalten, und es wurden jüngst im Rahmen einer Dissertation stillstandsichere Verschaltungs- und Regelstrategien entwickelt [1]. Jedoch gibt es bis heute keine ökonomisch und technisch zufriedenstellende Lösung. Wie drängend das Problem in der Praxis angesehen wird, erkennt man daran, dass teilweise immer noch die energetisch sinnlose, nächtliche Auskühlung des Speichers zur Vermeidung einer Überhitzung untertags ernsthaft in Betracht gezogen wird [2].

Zudem ist eine Schädigung der Anlage unter Stillstandbedingungen meist auch mit langwierigen rechtlichen Auseinandersetzungen verbunden und steht im Gegensatz zu dem in Solarthermie2000plus formulierten Förderziel der „weiteren Verbreitung von Solaranlagen durch den Abbau rechtlicher und organisatorischer Barrieren" [O].

Anstatt die einzelnen Anlagenkomponenten bzw. die gesamte Anlage stillstandssicher zu machen wurde auch vorgeschlagen, den Kollektor selbst in geeigneter Weise zu kühlen, durch Erniedrigung der inneren Transmission für Sonnenlicht (thermotrope Beschichtung und Verwendung von transparenter Honigwabenisolation) [8], oder die Unterbrechung der Wärmeübertragung auf den Absorber durch mechanisches Abheben der absorbierenden Schicht [13]. Die vorgeschlagenen Lösungen erscheinen jedoch zu aufwändig und kostenintensiv. Bis heute gibt es auch noch keine kommerzielle Umsetzung.

Aus [16] ist ein Sonnenkollektor bekannt, der eine auf der Außenseite des Kollektors angeordnete Abschatteinrichtung in Form einer Klappe aufweist, mittels der Sonnenstrahlung auf den Kollektor reflektiert werden kann und mittels der sich der Kollektor mehr oder weniger abdecken und somit abschatten läßt. Nachteilig ist hierbei, dass die Abschatteinrichtung mechanisch aufwendig ist und Windböen eine große Angriffsfläche bietet.

Aus [17] ist ein Sonnenkollektor bekannt, der eine außerhalb des Kollektors angeordnete Abschatteinrichtung in Form einer zwischen zwei Rollen auf- und abwickelbaren Folie aufweist. Bei Bedarf wird die abschattende Folie über den Kollektor gezogen. Die Folie kann nicht nur Licht absorbierend sein, sondern auch Licht reflektierend oder Licht fokussierend sein. Nachteilig ist hierbei, dass die Abschatteinrichtung Windböen eine große Angriffsfläche bietet und durch Wind und sonstige Witterungseinflüsse leicht beschädigt werden kann.

Aus [18] und [19] ist jeweils ein Sonnenkollektor bekannt, bei der über dem

Kollektor eine Abschatteinrichtung nach Art eines Fensterrollladens gefahren werden kann. Eine derartige Abschatteinrichtung ist mechanisch aufwendig und besitzt schon aus Stabilitätsgründen ein erhebliches Eigengewicht. Zu- - A -

sätzlich bietet der abschattende Rollladen insbesondere in halb geschlossenen Zustand eine erhebliche Windangriffsfläche.

Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Sonnenkollektor anzugeben, der eine höhere Betriebssicherheit bietet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Dadurch, dass die Abschatteinrichtung wenigstens teilweise in dem Kollektorgehäuse angeordnet ist, weist die Abschatteinrichtung keine überstehenden Teile auf, die Angriffsflächen für Windböen bieten. Vorzugsweise ist die die Abschatteinrichtung vollständig in dem geschlossenen Kollektorgehäuse angeordnet. Damit kann der Sonnenkollektor als ein Teil montiert werden. Es sind keine zusätzlichen Montagearbeiten für die Abschatteinrichtung notwendig.

Durch die Anordnung einer Folie als abschattendes Element im Inneren des Kollektorgehäuses zwischen Kollektorfenster und Absorbervorderseite ergibt sich eine einfache und leichte Konstruktion, die zudem eine geringe Bauhöhe aufweist- Anspruch 2 und 3.

Zwar ist die Verwendung von beschichteten Kunststofffolien zur Solarenergiegewinnung allgemein bekannt [12]. Ebenso gilt dies für die Folieneinbringung in Sonnenkollektoren zur Reduzierung der thermischen Verluste des Absorbers, die seit den 80er Jahren von der Fa. Viessmann patentiert und kommerziell umgesetzt wurde [11]. Obwohl physikalisch sehr effizient, wurde die Technik allerdings aufgrund von Materialproblemen (Trübung, Reißen der Folie) seit einigen Jahren nicht mehr weiter verfolgt. Zudem ist die Folie in diesen Erfindungen optisch einheitlich ausgebildet und nicht durch optisch unterschiedliche Teilstücke zur Abschattung des Absorbers vorgesehen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 erfolgt die Aktivierung der Abschatteinrichtung bzw. das Einbringen der Folie in den Raum zwischen Absorber und Fenster mittels einer vorzugsweise energieautarken - Anspruch 28 - motorischen Antriebseinrichtung, da Son- nenkollektoren häufig an Standorten montiert sind, die nicht ohne weiteres zugänglich sind. Auch ist damit eine Regelung möglich - Anspruch 27 - durch die die Abschatteinrichtung bei Erreichen einer Grenztemperatur aktiviert wird. Hierbei wird die Temperatur durch einen Temperaturfühler in der Wärmetauschereinrichtung oder im Absorber gemessen. Fällt die Temperatur wieder unter eine weitere Grenztemperatur, wird die Abschatteinrichtung wieder deaktiviert.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 5 besteht die Folie aus wenigstens zwei Folienabschnitten mit unterschiedlichen optischen Ei- genschaften. Die Folie ist auf zwei gegenüberliegenden Rollen aufgewickelt und überspannt die gesamte Absorbervorderseite. Der Folienabschnitt, der nicht zwischen Fenster und Absorbervorderseite eingebracht ist, ist auf einer der beiden Rollen aufgerollt ist.

Jeder der beiden Folienabschnitte ist für sich groß genug, die Absorbervor- derseite vollständig zu überdecken. Damit lassen sich für die gesamte Absorbervorderseite definierte Bedingungen einstellen - Anspruch 6.

Durch die unterschiedlichen optischen Eigenschaften der zwei Folienabschnitte kann zum einen durch Abschattung die Überhitzung des Absorbers vermieden und zum anderen können Wärmeverluste des Absorbers nach außen durch das Kollektorfenster vermindert werden. Ein erster Folienabschnitt ist für Sonnenstrahlung durchlässig (Transmissiongrad > 80%) und seine der Absorbervorderseite zugewandte Seite ist für Wärme- oder IR- Strahlung möglichst nicht gut durchlässig, also zumindest teilweise absorbierend, idealerweise sogar hauptsächlich reflektierend.. Wird dieser erste FoIi- enabschnitt durch die beiden Rollen zwischen Absorbervorderseite und Fenster eingeführt werden Wärmeverluste des Absorbers nach außen durch das Kollektorfenster vermindert, bei gleichzeitig hoher Transmission für das Sonnenlicht. Die Kombination aus Kollektorfenster und erstem Folienabschnitt wirkt wie ein Doppelscheibenfenster. Ein zweiter Folienabschnitt ist für die durch das Fenster hindurch tretenden und auf die Absorbervorderseite einfal- lende Sonnenstrahlung dämpfend oder reflektierend und weist einen Transmissionsgrad von weniger als 20% und vorzugsweise von weniger als 10% auf. Diese reflektierende Wirkung wird beispielsweise durch metallische Bedampfung des zweiten Folienabschnittes erreicht. Wird dieser zweite Folien- abschnitt mittels der beiden Rollen in den Bereich zwischen Absorbervorderseite und Fenster eingefahren, wird der Absorber abgeschattet und eine Überhitzung wird vermieden - Ansprüche 7, 8 und 9.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 10 oder 11 wird verhindert, dass Anwohner sich durch Reflexionen beeinträchtigt füh- len. Dies wird dadurch erreicht, dass von dem zur Abschattung verwendeten Folienteilstück bzw. Folienabschnitt durch geeignete Kombination optischer Eigenschaften wie diffuse (Teil)-Reflexion und/oder (Teil-)Absorption keine Blendung für einen Beobachter außerhalb des Kollektors ausgeht.

Durch die vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung nach den Ansprüchen 8, 12, 12a, 13, 14, 15 oder 16 werden Wärmeverluste des Absorbers weiter vermindert.

Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 13 spart Gewicht und Bauhöhe und führt damit zu geldwerten Vorteilen bei Montage und Transport, da Isolationsfolien im Vergleich zu herkömmlicher Isolation eine geringer Bauhöhe und geringeres Gewicht bedingen.

Durch den Abschattungsmechanismus wird die Effizienz des Kollektors im Normalbetrieb durch Reduzierung der thermischen Verluste des Absorbers gesteigert: Das Einbringen der Folienteilstücke unterdrückt nämlich die Ausbildung der Konvektion und verringert die Wärmestrahlung zwischen Absor- ber und Abdeckung bzw. Gehäuserückwand. Die Konvektionsverluste haben je nach verwendetem Füllgas bei einem bestimmten Abstand zwischen Folie und Fenster und zwischen Folie und plattenförmigem Absorber ein lokales Minimum. Bei Luft als Füllgas liegt dieser Abstand im Bereich zwischen 8 und 12 mm und vorzugsweise bei 9 mm. Zur weiteren Unterdrückung der thermischen Verluste des Absorbers können auch transparente inerte Gase mit Wärmeleitfähigkeiten niedriger als die von Luft in den Kollektor eingefüllt werden, z.B. Ar, Kr, Xe, SF₆ ,UF₆ oder CO2. Für diese anderen Gase sowie auch für andere Absorber-Geometrien und Betriebsbedingungen (Kollektorneigung und Temperatur) errechnet man entsprechende Werte für die optimalen Abstände nach der Konvektionstheorie.

Zur noch stärkeren Reduktion der Wärmeabstrahlung des Absorbers kann der transparente Folienabschnitt absorberseitig zusätzlich als selektive Abdeckung ausgebildet sein, das heißt, er weist im infraroten Strahlungsbereich einen hohen Reflexionsgrad durch eine geeignete Beschichtung auf.

Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 18 eignet sich zum Nachrüsten bestehender Sonnenkollektoren.

Die gesamte Folienaufhängung und Abwicklungsmechanik kann entweder zur Gänze in das Kollektorgehäuse - Anspruch 19 - integriert werden, bei- spielsweise über ein auswechselbares Einschubteil - Anspruch 20 - für eine eventuelle Wartung. Oder es werden, vergleichbar mit der Einbringung eines Filmes in frühere analoge Fotoapparate die Rollen/Wellen, der Motor, und die Regelung außen am Kollektorgehäuse, z.B. unter der bei Flachkollektoren üblichen seitlichen Verblendung, angebracht und die Folie über Schlitze in den Raum zwischen Absorber und Abdeckung eingeführt - Anspruch 18.

Zur leichteren Wartung ist es vorteilhaft Folie, Wellen-/Rollensystem, Antrieb, Regelung und Energieversorgung in eine Kassette zu integrieren, die in den Kollektor als ganzes eingeschoben und leicht wieder ausgetauscht werden kann - Anspruch 20.

Nach der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 21 und 22 ist die Folie als Endlosfolie ausgestaltet und wird über ein Rollen/Wellen- Umlenksystem geführt. Das jeweils nicht zwischen Absorber und Fenster eingebrachte Folienteilstück ist/wird durch Umlenkung über Rollen/Wellen hinter den Absorber zwischen Absorber und Wärmeisolierung geführt. Im normalen Betrieb befindet sich dadurch also das abschattende Teilstück zwischen Absorber und Gehäuserückwand/Isolation und trägt so zur Verminderung der rückseitigen Konvektion wie auch der rückseitigen Wärmestrahlungsverluste bei.

Damit die Folie bei der im Kollektor stattfindenden Erwärmung und der damit verbundenen thermischen Ausdehnung nicht durchhängt und das Gehäuse bzw. den Absorber nicht berührt, ist eine oder beide der Rollen/Wellen mit einem Spannmechanismus versehen. Beispielsweise eignet sich hiefür ein Mechanismus mit einer angepassten inneren Feder, wie er bei einem Schnapprollo zu finden ist - Anspruch 24. Alternativ können auch Kunststoffe verwendet werden, die sich bei höherer Temperatur reversibel zusammenziehen - Anspruch 25.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht zusätzlich in dem Vorhalten mehrerer Kollektorlängen transparenter und verschattender TeN- stücke auf den Rollen/Wellen bzw. im Bereich der beschriebenen Rollen/Wellen, wodurch bei nachlassenden mechanischen und optischen Eigenschaften des Folienteilstücks über die Lebensdauer durch z.B. Bestrahlung, Feuchte oder Staub stattdessen auf einfache Weise ein unverbrauchtes Folienstück mit noch neuwertigen optischen Eigenschaften in den Kollektor ein- gebracht werden kann - Anspruch 23.

Mittlerweile stehen im Zuge der nanotechnologischen Revolution neuartige Folien zur Verfügung, die z.B. mit Hilfe eingelagerter Nanopartikel - Anspruch 35 - für die jeweilige Anwendung quasi maßgeschneidert werden können, Beispiele hierfür sind:

1 Die Interferenz-pigmentierte Solarflair-Folie von Merck zur Reflexion des IR-Anteils des Sonnenlichts bei gleichzeitiger Transmission des sichtbaren Bereichs. Sie wird in Gewächshäusern als sogenannte Agrarfolie eingesetzt.

2 eine Antireflexfolie der Fa. Merck, in die mittels Sol-Gel-Verfahren transparenzerhöhende Nanopartikel eingebettet sind.

3 Die nano-dotierte Durethan-Folie von Bayer für höchste Gasdichtigkeit bei Lebensmittelverpackungen.

Gemäß den vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung nach den Ansprü- che 29 bis 35 werden im erfindungsgemäßen Kollektor beschichtete oder dotierte Kunststoffe oder Metalle als Folienmaterialien eingesetzt, die hochtransparent, reißfest, alterungs- und lichtstabil (alle diese Eigenschaften idealerweise jeweils über die Kollektorlebensdauer von ca. 15 - 20 Jahren) sowie temperaturbeständig (bis zur gewählten Grenztemperatur für die Abschat- tung) sind und die gewünschten optischen Eigenschaften aufweisen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die abschattende Folie aus Teflon oder einem Kopolymer von Ethylen und Tetrafluorethylen (ETFE), z. B. von der Fa. Nowoflon, als Grundmaterial aufgebaut - Anspruch 36. Alternativ kann die Folie auch aus einem TPU-Kunststoff, z. B. Desmopan der Fa. Bayer, oder einem UV-stabilisierten Polyesterfilm, z. B. der Fa. Mitsubishi, oder aus einem weiterentwickelten Polyethylenteraphthalat (PET), z. B. Hostafan von der Fa. Hoechst, als Grundmaterial aufgebaut sein - Anspruch 37. Diese Materialien sind reißfest, hochtransparent, alterungs- und lichtstabil und besitzen daher die geforderten Eigenschaften.

Durch Antifreflexbeschichtung des Fensters und/oder der abschattenden Folie erhöht sich die Transmission für das Sonnenlicht und es können dadurch auftretende Transmissionsverluste des transparenten Folienteils zumindest teilweise ausgeglichen werden - Anspruch 38.

Damit stößt der erfindungsgemäße Sonnenkollektor, bei wesentlich geringe- rem technischen und ökonomischen Aufwand und integriertem Überhit- zungsschutz, nahezu bis in den Leistungsbereich von evakuierten Flachkollektoren vor. Er ist somit besonders gut für Anwendungen mit höheren Temperaturen und höheren solaren Deckungsgraden, wie z.B. Kombianlagen, solare Klimatisierung und solare Prozesswärmeerzeugung, geeignet. Das Fenster besteht aus Glas oder für Sonnenstrahlung durchlässigen Kunststoff. Die durch das Fenster hindurch tretende Sonnenstrahlung liegt im Bereich zwischen 0,3 und 4,0 μm und insbesondere im Bereich zwischen 0,4 und 2,5 μm.

Die übrigen Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 die Ausgestaltung der Folie bei der ersten Ausführungsform,

Fig. 3 eine Detaildarstellung der ersten Ausführungsform, und

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit Endlosfolie, und

Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit Endlosfolie.

Der Sonnenkollektor gemäß der ersten Ausführungsform, wie er in den Figu- ren 1 bis 3 dargestellt ist, umfasst ein quaderförmiges Gehäuse 1 dessen großflächige Oberseite von einem für Sonnenstrahlung durchlässigen Fenster 2, z. B. aus Glas, abgeschlossen wird. Hinter dem Fenster 2 ist ein Absorber 3 angeordnet, der eine dem Fenster 2 zugewandte Absorbervorderseite 3a und eine von dem Fenster 2 abgewandte Absorberrückseite 3b auf- weist. Die rechteckige Fläche der Absorbervorderseite 3a entspricht in etwa der Fläche des Fensters 2. Der Absorber 3 ist thermisch mit einer Wärmetauschereinrichtung 4 in Form von den Absorber durchsetztenden Wärme- tauscherschlangen gekoppelt in denen eine Wärmeträgermedium fließt. Unter dem Absorber 3 auf der Absorberrückseite 3b zwischen Gehäuse 1 und Absorber 3 ist eine Wärmeisolierung 5 vorgesehen. Zwischen Fenster 2 und Absorber 3 ist im Inneren des Gehäuses 1 eine Abschatteinrichtung 6 vorge- sehen. Die Abschatteinrichtung 6 umfasst eine dünne, elastische Folie 7, die die gesamte Absorbervorderseite 3a überspannt. Im seitlichen Randbereich ist die Folie 7 links und rechts neben dem Absorber 3 auf eine erste und eine zweite Rolle 8a und 8b aufgewickelt (siehe Fig. 2). Die einstückige Folie 7 weist einen ersten Folienabschnitt 9 und einen zweiten Folienabschnitt 10 auf. Die dem Fenster 2 zugewandte Seite des ersten Folienabschnitts 9 ist für die durch das Fenster eintretende Sonnenstrahlung transparent bzw. transluzent. Die dem Fenster 2 zugewandte Seite des zweiten Folienabschnitts 10 ist in diesem Wellenlängebereich reflektierend. Die beiden Folienabschnitte 9 und 10 sind jeweils so dimensioniert, dass sie Absorbervor- derseite 3a vollständig überspannen können.

Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, umfasst der Sonnenkollektor bzw. die Abschatteinrichtung 6 eine motorische Antriebseinrichtung 11 mittels der sich die Folie 7 von der ersten Rolle 8a ab und auf die zweite Rolle 8b aufwickeln läßt. Um die Folie 7 auch in der anderen Richtung von der zweiten Rolle 8b auf die erste Rolle 8a wickeln zu können, ist die erste Rolle 8a mit einem Spannmechanismus nach Art eines Schnapprollos versehen. Je nachdem, ob der Absorber 3 abgeschattet werden soll oder nicht, wird entweder der zweite oder der erste Folienabschnitt 9, 10 mittels der motorischen Antriebseinrichtung 11 in den Bereich zwischen Fenster 2 und Absorber 3 eingeführt, während der nicht benötigte Folienabschnitt 9 oder 10 auf einer der Rollen 8 aufgewickelt ist. Die motorische Antriebseinrichtung 11 umfasst ein Schnek- kengetriebe 12, das über ein Zahnrad 13 die zweite Rolle 8b antreibt. Das Schneckengetriebe 12 wird durch einen Elektromotor 14 angetrieben. Die Stromversorgung des Elektromotors 14 erfolgt über ein Photovoltaikelement 15, das im Randbereich des Gehäuses 1 an der Unterseite des Fensters 2 angeordnet ist. Das Photovoltaikelement 15 und der Elektromotor 14 sind über eine Regelung 16 miteinander verbunden. Die Regelung 16 ist auch mit einem Temperaturfühler 17 verbunden, der thermisch mit dem Absorber 3 gekoppelt ist und dessen Temperatur erfasst.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die sich von der er- sten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die Folie 7 als Endlosfolie ausgebildet ist. Die Endlosfolie 7 weist ebenfalls einen ersten Folienabschnitt 9 und einen zweiten Folienabschnitt 10 auf. D. h. der jeweils nicht zwischen Fenster 2 und Absorbervorderseite 3a befindliche Folienabschnitt 9 oder 10 ist durch Umlenkung über die erste Rolle 8a auf der Absorberrückseite 3b geführt. Im normalen Betrieb befindet sich dadurch also der der Abschattung dienende zweite Folienabschnitt 10 zwischen der Absorberrückseite 3b und der Rückwand des Gehäuses 1 und trägt so zur Verminderung der rückseitigen Konvektion wie auch der rückseitigen Wärmestrahlungsverluste bei. Aufgrund der Endlosfolie 7 erübrigt sich ein Spannmechanismus in der er- sten Rolle 8a.

Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, die sich von der zweiten Ausführungsform nach Fig. 4 lediglich hinsichtlich der Ausgestaltung der Wärmeisolierung auf der Absorberrückseite 3b unterscheidet; alle übrigen Komponenten entsprechen denen der zweiten Ausführungsform, so dass auf eine Beschreibung verzichtet werden kann. Die Wärmeisolierung 5 besteht aus einer oder mehreren festen, metallisch beschichteten Wärmeisolationsfolien 18, die in dem Gehäuse zwischen der Rückwand und dem sich auf der Absorberrückseite 3b befindlichen Folienabschnitt der Endlosfolie 7 aufgespannt ist. Die Verwendung von Wärmeisolationsfolien 18 anstelle herkömm- licher Wärmeisolierungen ermöglicht eine geringere Bauhöhe und geringeres Gewicht.

Die Wärmeisolationsfolie 18 und auch die motorische Antriebseinrichtung 11 mit Regeleinrichtung 16, Temperaturfühler 17 und Photovoltaikelement 15 kann auch bei der ersten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt werden. Bei allen Ausführungsformen kann die Außenseite des Fensters 2 mit einer Antireflexbeschichtung versehen sein, um den Transmissionsgrad des Fensters 2 zu erhöhen.

Der Betrieb erfolgt bei allen Ausführungsformen der Erfindung entsprechend. Überschreitet die durch den Temperaturfühler 14, z. B. in Form eines Bime- tal Istreifens, am Absorber gemessene Absorbertemperatur einen vorgegebenen Wert, wird die Absorbervorderseite 3a in der Art eines Rollos temporär durch Einbringen des abschattenden Folienabschnitts 10 zwischen Fenster 2 und Absorber 3 mittels der motorischen Antriebseinrichtung 11 verschattet, bis die Temperatur des Absorbers 3 unter einen vorgegebenen Wert fällt und/oder wieder Wärme abgenommen wird und/oder die solare Einstrahlung nachgelassen hat. Wenn die Abschatteinrichtung 6 aktiv ist, ist der transparente Folienabschnitt auf einer der der beiden Rollen 8 aufgewickelt oder im Falle des Umlenksystems - Fig. 4 - zwischen der Absorberrückseite und der Rückwand des Gehäuses 1 positioniert. Die Regelung der motorischen An- triebseinrichtung 11 erfolgt mittels einer Regeleinrichtung 16, die mit dem auf dem Absorber 3 montierten Temperaturfühler 14 verbunden ist. Der Temperaturfühler 14 kann alternativ auch an der Wärmetauschereinrichtung 4 oder außerhalb des Sonnenkollektors angebracht sein.

Beim Übergang zum normalen Betrieb wird der abschattende Folienabschnitt 10 wieder auf eine der Wellen-/Rollen 8 aufgewickelt, bzw. auf der Sonne abgewandten Seite des Absorbers 3 positioniert und der transparente Folienabschnitt zwischen Absorber 3 und Fenster 2 eingebracht.

Zur Energieversorgung kann anstelle des Photovoltaikmoduls 15 ein PeI- tierelement eingesetzt werden, das die im Abschattungsfall vorhandene Temperaturdifferenz zwischen Absorber und Fenster nutzt. Bezugszeichenliste:

1 Gehäuse

2 Fenster

3 Absorber

3a Absorbervorderseite

3b Absorberrückseite

4 Wärmetauschereinrichtung

5 Wärmeisolierung

6 Abschatteinrichtung

7 Folie

8a erste Rolle/Welle

8b zweite Rolle/Welle

9 erster Folienabschnitt

10 zweiter Folienabschnitt

11 motorische Antriebseinrichtung

12 Schneckengetriebe

13 Zahnrad

14 Elektromotor

15 Photovoltaikelement

16 Regeleinrichtung

17 Temperaturfühler

18 Wärmeisolationsfolien

Literatur und Stand der Technik:

[O] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Förderkonzept „Solarthermie2000plus", www.solarthermie2000plus.de, Internetdarstellung 2005 [1] K. Lustig, Exp. Untersuchungen zum Stillstandsverhalten thermischer Solaranlagen, Dissertation, Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme, Freiburg, 2002.

[2] Fink, C; Hausner R. Strategien zur Vermeidung von unzulässigen Temperaturbelastungen an Anlagenkomponenten im Stagnationsfall. In: Materia- lien und Komponenten in Solaranlagen, Arbeitsgemeinschaft Erneuerbare Energie, 2000.

[3] Signe Wedel Eik Bezzel. Heat Transfer Fluids for Solar DHW Systems. Danish Technological Institute, 2000. [4] Hillems F.; Schrimpf H. Einsatz von Wärmeträgerflüssigkeiten in Solaran- lagen unter Berücksichtigung der Stagnationsbedingungen Neuntes Symposium Thermische Solarenergie, Staffelstein S. 32-38. [5]: Lustig, K. Simulation zur thermischen Belastung der Solarkreispumpe bei Stillstandssituationen, Studie TOS-3-KL-0103-E02 am Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme, Freiburg , 2001. [6] Kimmel, O. Streicher W.; Heimrath R Messung und Analyse von Ursachen und Auswirkungen von Kondensationsschlägen beim Ausdampfen von großen thermischen Kollektorfeldern. Endbericht Projekt Nr. 7831 , Jubiläumsfonds der Österreichischen Nationalbank, 2001. [7] Streicher, W.; Oberleitner, W. Betriebsergebnisse der größten Solaranla- ge Österreichs, Solarunterstütztes Biomasse-Nahwärmenetz Eibiswald. Neuntes Symposium Thermische Solarenergie, Staffelstein S. 144-148, 1999.

[8] EU- Projekt „Stagnation Technologies for Thermal Solar Systems" im Craft-Joule-Programm, Teilprojekt "stagnation-proof transparently insulated flat plate solar collectors STATIC", 1.9.1998-31.12.2000).

[9] Streicher, W., Minimising the Risk of Water Hammer and other Problems at the beginning of Stagnation of Solar Thermal Plants. Solar Energy, 2001. [10] Noij, J. Drain Back in Small Systems, IEA Task 26, Proceedings from

Industry Workshop, Delft 2001.

[11] Fa. Viessmann, Gebrauchsmuster G 93 01 018.4, 1993.

[12] BRD, Deutsches Patentamt, Offenlegungsschrift 29 23 251 , 1980. [13]] BRD, Deutsches Patentamt, Offenlegungsschrift 38 02 125 A1 , 1989.

[14] BRD, Deutsches Patentamt, Gebrauchsmuster G 81 15 159.4, 1981.

[15] BRD, Deutsches Patentamt, Offenlegungsschrift 32 17 804.2, 1983.

[16] BRD, Deutsches Patentamt, Offenlegungsschrift 100 32 227 A1 , 2002.

[17] BRD, Deutsches Patentamt, Patentschrift 199 24 783 C2, 2003. [18] BRD, Deutsches Patentamt, Offenlegungsschrift 10 2005 006 329 A1 ,

2005.

[19] BRD, Deutsches Patentamt, Gebrauchsmuster 298 12 457 U1 , 1999.

Claims

Ansprüche

1. Sonnenkollektor zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärme, mit einem geschlossenen Gehäuse (1 ), einem in dem Gehäuse (1 ) vorgesehenen sonnenstrahlungsdurchlässigen Fenster (2), einem in dem Gehäuse (1 ) hinter dem Fenster (2) angeordneten Sonnenstrahlungsabsorber (3), der eine dem Fenster (2) zugewandte Absorbervorderseite (3a) und eine von dem Fenster (2) abge- wandte Absorberrückseite (3b) umfasst, und einer thermisch mit dem Absorber (3) gekoppelt Wärmetauschereinrichtung (4) zur Abfuhr der Wärme aus dem Gehäuse (1 ), einer Abschatteinrichtung (6) mittels der sich der Absorber (3) zumindest teilweise abschatten lässt, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschatteinrichtung (6) wenigstens teilweise in dem

Gehäuse (1 ) angeordnet ist.

2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abschatteinrichtung (6) eine Folie (7) umfasst, die zwischen Absorber (3) und Fenster (2) einbringbar ist und die wenigstens in einer Teilfläche (10) sonnenstrahlungsdämpfende Eigenschaften besitzt.

3. Sonnenkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7) bei ausgeschalteter Abschatteinrichtung (6) aufgerollt ist.

4. Sonnenkollektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7) mittels einer motorischen Antriebseinrichtung 11 ) über die Absorbervorderseite (3a) bewegbar ist.

5. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7) auf zwei gegenüberliegenden Rollen (8) aufgewickelt ist und zwischen den beiden Rollen (8) die Absorbervorderseite (3a) überspannt, dass die Folie (7) wenigstens einen ersten und einen zweiten

Folienabschnitt (9, 10) aufweist, dass die Folienabschnitte (9, 10) unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen, und dass die Folienabschnitte (9, 10) durch Auf- bzw. Abrollen von den beiden Rollen (8) abwechselnd in den Raum zwischen Absorbervorderseite (3a) und Fenster (2) einbringbar sind.

6. Sonnenkollektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Folienabschnitte (9, 10) jeweils so dimen- sioniert sind, dass sie die Absorbervorderseite (3a) vollständig überspannen.

7. Sonnenkollektor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Folienabschnitt (9) im durch das Fenster (2) transmit- tierten Wellenlängenbereich transparent und/oder transluzent ist und dass der zweite Folienabschnitt (10) in diesem Wellenlängenbereich reflektierend und/oder absorbierend ist.

8. Sonnenkollektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Folienabschnitt (9) auf der dem Absorber (3) zugewandten Seite für die von dem Absorber (3) ausgehende Wärmestrahlung reflektierend und/oder absorbierend ausgebildet ist.

9. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekenn- zeichnet, dass der zweite Folienabschnitt (10) eine metallische Be- schichtung aufweist.

10. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7) auf der dem Fenster (2) zugewandten Seite wenigstens teilweise blendfrei ausgestaltet ist.

11. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7) auf der dem Fenster (2) zugewandten Seite wenigstens teilweise diffus reflektierend ausgestal- tet ist.

12. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Gehäuse (1 ) und der Absorberrückseite (3b) eine Wärmeisolierung (5) vorgesehen ist.

13. Sonnenkollektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung (5) aus wenigstens einer metallischen und/oder me- tall-oxidisch beschichteten und/oder einer IR-reflektierenden Folie (18) besteht, die zwischen Absorberrückseite (3b) und Gehäuse (1 ) aufgespannt ist.

14. Sonnenkollektor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur zusätzliche Wärmeisolation Luft als Füllgase in das Gehäuse (1 ) eingebracht ist.

15. Sonnenkollektor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen eingebrachter Folie (7) und Fenster (2) und/oder zwischen eingebrachter Folie (7) und Absorbervorderseite (3a) bei Luft als Füllgas im Bereiche zwischen 8 und 12 mm liegt.

16. Sonnenkollektor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur zusätzlichen Wärmeisolation inerte Gase mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit als Luft als Füllgase in das Gehäuse (1 ) eingebracht sind.

17. Sonnenkollektor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllgase Krypton, Xenon, Argon SF₆, UF₆ und/oder CO2 eingebracht sind.

18. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rollen außerhalb des Gehäuses (1 ) angeordnet sind und dass die Folie (7) über Schlitze das Gehäuse (1 ) durchsetzt.

19. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rollen (8) in dem Gehäuse

(1 ) angeordnet sind.

20. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschatteinrichtung (6) als auswechselbares Modul ausgebildet ist.

21. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7) als Endlosfolie ausgebildet ist.

22. Sonnenkollektor nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der nicht zwischen Absorbervorderseite (3a) und Fenster (2) angeordnete Teil der Endlosfolie (7) über eine Umlenkeinrichtung (8) zwischen Gehäuse (1 ) und Absorberrückseite (3b) geführt ist.

23. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschatteinrichtung (6) die Folie (7) mehrfach enthält.

24. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschatteinrichtung (8) eine Spannvorrichtung zum Spannen der Folie (7) umfasst.

25. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7) aus einem Material besteht, das sich bei Temperaturerhöhung zusammenzieht.

26. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die motorische Antriebseinrichtung (11 ) ein Schneckengetriebe (12) umfasst.

27. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschatteinrichtung (6) eine Regeleinrichtung (11 , 16, 17) umfasst, um die Abschatteinrichtung (6) bei Erreichen einer bestimmten Grenztemperatur im Absorber (3) oder in der Wärmetauschereinrichtung (4) zu aktivieren.

28. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschatteinrichtung (6) eine autarke Ener- gieversorgung, insbesondere mittels eines Photovoltaikmoduls (15) oder eines Peltierelements umfasst.

29. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7) elastisch ist.

30. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7) lichtstabil ist.

31. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7) alterungsstabil ist.

32. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7) reißfest ist.

33. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7) aus Kunststoff und/oder aus Metall besteht.

34. Sonnenkollektor nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7) aus dotiertem Kunststoff und/oder aus dotiertem Metall besteht.

35. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7) Nanopartikel enthält.

36. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7) aus Teflon oder einem Kopolymer von Ethylen und Tetrafluorethylen als Grundmaterial auf- gebaut ist.

37. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7) aus einem TPU-Ku nststoff oder einem UV-stabilisierten Polyesterfilm oder aus einem Polyethy- lenteraphthalat als Grundmaterial aufgebaut ist.

38. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7) und/oder das Fenster (2) mit einer Antireflexbeschichtung zur Erhöhung der Transmission versehen ist.