WO2012093062A2 - Thermischer solarer flachkollektor - Google Patents

Thermischer solarer flachkollektor Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a solar thermal flat collector which finds application in thermal solar plants.
  • Flat plate collectors consist of the components absorber, transparent cover, housing and thermal insulation. At the same time, only little of the heat radiation from the absorber passes through the glass cover, which is achieved by double-glazing and optionally by a selective infrared-reflective coating of the cover glass can (greenhouse effect).
  • the transparent cover prevents the removal of heat from the absorber by passing colder air (convection). Finally, together with the housing, it protects the absorber from the effects of the weather.
  • Typical housing materials are aluminum and galvanized sheet steel, sometimes glass-reinforced plastic is also used.
  • the thermal insulation on the back of the absorber and on the side walls heat losses are reduced by heat conduction.
  • the preferred insulating materials are polyurethane foam and mineral wool, in rare cases also mineral fiber insulating materials such as glass wool, rock wool, glass fiber or fiberglass.
  • the core of a solar collector is the absorber, which usually consists of several narrow metal strips.
  • the heat transfer medium is passed through a connected to the absorber strip heat transfer tube. In a plate absorber two plates are welded together, between which the heat transfer medium can flow.
  • Typical absorber materials are copper and aluminum.
  • Flat plate collectors are characterized by a favorable price-performance ratio, as well as by a wide range of mounting options
  • DE 10 2008 007 799 A1 proposes the construction of a collector in which the collector liquid is in direct contact with the absorber plate and does not circulate through pipelines.
  • a collector is considered in which the collector liquid is above the bottom plate, which is self-absorbent or provided with an absorber layer.
  • This bottom plate can be made of plastic or aluminum and must be protected by a common insulation against heat loss.
  • valuable substances such as copper, in conventional collectors for the absorber plate and pipes) and titanium (as a basis for highly selective coatings) are saved.
  • DE 10 2008 045 324 A1 relates to a flat collector for absorbing and transmitting electromagnetic energy from solar radiation to a fluid as heat transfer medium, in which a vacuum insulating glass unit is provided for insulating the absorber on the side facing the solar radiation and on the rear side. Between the vacuum insulation glass units there is an environmentally sealed cavity having a hydraulic structure through which a heat-adsorbing fluid flows through a fluid inlet and a fluid outlet opening and comprises a channel network in the form of a serpentine, a pad or a harp absorber. As a variant, it is provided in this publication, form a glass plate made of colored glass with a hydraulic structure as an absorber element. A disadvantage of this flat collector is that the very good efficiency is associated with increased manufacturing costs.
  • the object of the invention is to develop a solar collector, the production costs are at only a slightly lower degree of rotation compared to standard flat plate collectors at about one-third.
  • a solar flat collector consisting of a sealed with a watertight edge, provided with inlet and outlet heat transfer medium pipe system with at least two facing the sun, spaced glass panes, with a sun-facing heat insulation layer and a collector floor, said Collector bottom, the bottom wall of the heat transfer medium conduit system and the innermost of the sun facing glass panes form the upper wall of the heat transfer medium pipe system, and wherein inventively the collector bottom in the form of black glass and the sun remote from the heat insulation layer is in the form of foam glass with closed porosity.
  • the insulation layer facing away from the sun in the form of black glass foam glass also forms the collector bottom in one structural unit.
  • the collector according to the invention is most inexpensively made of foam glass.
  • the essence of the idea is that the whole collector of a foam glass block is easily and inexpensively mechanically expediaillebar, as a black body has optimal absorber properties, the foam glass at the same time optimal insulation, while the cover plates and the water inlet and drain with building-standard adhesives safely can be introduced.
  • the insulation towards the irradiation side can, as described, optionally be made in different qualities as required.
  • the collector impresses with a very low weight and with square meter prices of less than 50 € the price can be undercut the current normal collectors with significantly improved overall characteristics.
  • FIG. 1 shows the side view and the top view
  • FIG. 2 shows the sectional view A-A and the detailed view F.
  • Example 1 The invention will be explained in more detail in the following two embodiments: Example 1
  • the collector consists of a glass plate of mineral raw materials, which serves as an absorber, two glass panes as a cover and foam glass as a thermal insulation material. Possible compositions of the glass plate made of mineral raw materials and the foam glass are exemplified in Table 1 and given in DE 10 2009 022 575 A1.
  • Table 1 Composition and properties (expansion coefficient a, transformation temperature TG, density p, and liquidus temperature T Liq of possible insert glasses
  • Example 2 The absorber plate used in Example 1 is saved and the foam glass itself serves not only for thermal insulation but also as an absorber.
  • the flood channels are milled directly into the easily processed foam glass. ( Figure 4)

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Abstract

Thermischer solarer Flachkollektor, bestehend aus einer mit einem randseitig wasserdicht abgeschlossenen, mit Zu- und Ablauf versehenen Wärmeträgermediumleitungssystem mit mindestens zwei der Sonne zugewandten, mit Abstand voneinander angeordneten Glasscheiben, mit einer der Sonne abgewandten Wärmeisotationsschicht und einem Kollektorboden, wobei der Kollektorboden die untere Wand des Wärmeträgermediumleitungssystems und die innerste der der Sonne zugewandten Glasscheiben die obere Wand des Wärmeträgermediumleitungssystems bilden, wobei der Kollektorboden in Form von Schwarzglas und die der Sonne abgewandte Wärmeisolationsschicht in Form von Schaumglas mit geschlossener Porosität mit aufeinander abgestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet ist.

Description

Thermischer solarer Flachkollektor
Die Erfindung betrifft einen thermischen solaren Flachkollektor, der in thermischen Sola- räniagen Anwendung findet.
Flachkollektoren bestehen aus den Bauteilen Absorber, transparente Abdeckung, Gehäuse und Wärmedämmung. Als transparente Abdeckung kommt meistens eisenarmes Solarsicherheitsglas zum Einsatz, das sich durch einen hohen Transmissionsgrad für den kurzwelligen Spektralbereich auszeichnet Gleichzeitig gelangt nur wenig der Wärmeab- strahlung vom Absorber durch die Glasabdeckung, was durch eine Doppelverglasung und optional durch eine selektive Infrarot reflektierende Beschichtung des Abdeckungsglases erreicht werden kann (Treibhauseffekt). Dabei verhindert die transparente Abde- ckung den Wärmeentzug vom Absorber durch vorbeistreichende kältere Luft (Konvekti- on). Gemeinsam mit dem Gehäuse schließlich schützt sie den Absorber vor Witterungseinflüssen. Typische Gehäusematerialien sind Aluminium und verzinktes Stahlblech, manchmal wird auch glasverstärkter Kunststoff verarbeitet.
Durch die Wärmedämmung auf der Rückseite des Absorbers und an den Seitenwänden werden Wärmeverluste durch Wärmeleitung vermindert. Als Dämmmaterialien werden hauptsächlich Polyurethan-Schaum und Mineralwolle bevorzugt, in seltenen Fällen auch Mineralfaser-Dämmstoffe wie Glaswolle, Steinwolle, Glasfaser oder Fiberglas. Kernstück eines Sonnenkollektors ist der Absorber, der meistens aus mehreren schmalen Metallstreifen besteht. Das Wärmeträgermedium wird durch ein mit dem Absorberstreifen verbundenes Wärmeträgerrohr geleitet. Bei einem Plattenabsorber werden zwei Platten miteinander verschweißt, zwischen denen das Wärmeträgermedium strömen kann. Typische Absorbermaterialien sind Kupfer und Aluminium.
Flachkollektoren zeichnen sich durch ein günstiges Preis-Leistungsverhältnis aus, sowie durch eine breite Palette an Montagemöglichkeiten
(http://www.solarserver.de/wissen/basiswissen/kollektoren.html).
DE 10 2008 007 799 A1 schlägt die Konstruktion eines Kollektors vor, bei dem sich die Kollektorflüssigkeit in direktem Kontakt zur Absorberplatte befindet und nicht durch Rohrleitungen zirkuliert. Als besonders vorteilhaft wird ein Kollektor angesehen, bei dem sich über der Bodenplatte, welche selbst absorbierend ist oder mit einer Absorberschicht versehen ist, die Kollektorflüssigkeit befindet. Diese Bodenplatte kann aus Kunststoff oder Aluminium bestehen und muss durch eine geläufige Dämmung gegen Wärmeverlust geschützt werden. Bei diesem Kollektor werden werthaltige Stoffe wie Kupfer, bei herkömmlichen Kollektoren für die Absorberplatte und Rohrleitungen) und Titan (als Basis für hochselektive Beschichtungen) eingespart.
DE 26 1 1 108 C2 beansprucht einen flachen, nach Art eines Mehrscheibensicherheitsglases aufgebauten Sonnenkollektor mit einem randseitig wasserdicht abgeschlossenen, mit Zu- und Ablauf versehenen Wärmeträgermediumleitungssystem mit mindestens zwei der Sonne zugewandten, mit Abstand voneinander angeordneten Glasscheiben, mit einer der Sonne abgewandten Wärmeisolationsschicht und einem Kollektorboden, wobei der Kollektorboden die untere Wand des Wärmeträgermediumleitungssystems und die innerste der der Sonne zugewandten Glasscheiben die obere Wand des Wärmeträgerme- diumleitungssystems bilden und dadurch gekennzeichnet ist, dass auch der Kollektorboden von einer Glasscheibe gebildet ist, die an ihrer Außenfläche mit einer Schicht schwarzen Absorptionsmaterials versehen ist.
Bekannt sind nach DE 25 27 742 A1 auch Kollektoren gleicher Bauart, bei denen die Bodenwanne entweder aus schwarzem Material hergestellt oder wenigstens an ihrer Vorderseite, wo sie in Berührung mit dem Wasser steht, mit einer matten schwarzen Farbe bemalt oder mit einer matten schwarzen Deckschicht versehen ist. Als schwarzes Material zur Bildung der Wanne kann auch schwarzer Kunststoff verwendet werden. Dies stellt jedoch insofern einen Nachteil dar, als dann für den durch die Wanne gebildeten Kollektorboden ein anderes Material als für die davor angeordneten Scheiben zu verwenden ist.
DE 10 2008 045 324 A1 betrifft einen Flachkollektor zur Absorption und Übertragung elektromagnetischer Energie aus der Sonnenstrahlung auf ein Fluid als Wärmeträgermedium, bei dem zur Isolierung des Absorbers auf der der Sonnenstrahlung zugewandten Seite und auf der rückwärtigen Seite jeweils eine Vakuumisolierglaseinheit vorgesehen ist. Zwischen den Vakuumisolierglaseinheiten befindet sich ein gegenüber der Umgebung abgedichteter Hohlraum mit einer hydraulischen Struktur, die von einem wärmeadsorbie- renden Fluid über eine Fluideintritts- und eine Fluidaustrittsöffnung durchströmt wird und ein Kanalnetz in Form eines Serpentinen-, eines Kissen- oder eines Harfenabsorbers umfasst. Als Variante ist in dieser Offenlegungsschrift vorgesehen, eine Glasplatte aus durchgefärbtem Glas mit einer hydraulischen Struktur als Absorberelement auszubilden. Nachteilig an diesem Flachkollektor ist, dass der sehr gute Wirkungsgrad mit einem erhöhten Herstellungsaufwand verbunden ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Solarkollektor zu entwickeln, dessen Herstellungskosten bei einem nur geringfügig geringeren Wrkungsgrad gegenüber marktüblichen Flachkollektoren bei etwa einem Drittel liegen.
Die Aufgabe wird durch einen solaren Flachkollektor gelöst, bestehend aus einer mit einem randseitig wasserdicht abgeschlossenen, mit Zu- und Ablauf versehenen Wärmeträgermediumleitungssystem mit mindesten zwei der Sonne zugewandten, mit Abstand voneinander angeordneten Glasscheiben, mit einer der Sonne abgewandten Wärmeisolationsschicht und einem Kollektorboden, wobei der Kollektorboden die untere Wand des Wärmeträgermediumleitungssystems und die innerste der der Sonne zugewandten Glasscheiben die obere Wand des Wärmeträgermediumleitungssystems bilden, und wobei erfindungsgemäß der Kollektorboden in Form von Schwarzglas und die der Sonne abgewandte Wärmeisolationsschicht in Form von Schaumglas mit geschlossener Porosität ausgebildet ist. Dabei bildet bevorzugt die der Sonne abgewandte Isolationsschicht in Form von Schaumglas aus Schwarzglas in einer Baueinheit zugleich den Kollektorboden. Der erfindungsgemäße Kollektor wird am kostengünstigsten aus Schaumglas hergestellt. Dabei kann aus einer einzelnen Platte von etwa 10 cm Dicke der Innenteil einfach mechanisch ausgearbeitet werden. An den Seiten und zum Boden besteht eine 6 cm dicke Isolierschicht, wobei die geometrischen Daten je nach Isolierungsbedürfnissen, Gewicht und mechanischen Eigenschaften variiert werden können. Ebenso ergeben sich in der Qualität des verwendeten Glasschaummaterials Variationsbreiten hinsichtlich Dichte und Porengrößenverteilung. Sinnvoll ist die Verwendung von dunklem Glas. Die zwei der Sonne zugewandten, mit Abstand von etwa 1 ,5 cm voneinander angeordneten Glasscheiben bestehen vorzugsweise aus thermisch gehärtetem Glas können aber auch ein Photovoltaikmodul sein. Diese Scheiben werden auf den Glasschaum aufgeklebt. Der Kleber muss Langzeit wasserfest sein und den auftretenden Temperaturwechseln widerstehen können. Dieser Zwischenraum dient als Isolierung, fällt aber bei Hybridmodulen in Kombination mit PV-Modulen fort. In diesem Zwischenraum können spezielle Gase wie bei Fensterscheiben beim Einkleben eingebracht werden, um den konvektiven Wärmetransport weiter zu reduzieren. Es ist auch möglich an der Unterseite der Deckscheibe infrarotreflektierende Schichten wie beim Fensterbau einzubringen. Zweckmäßig ist es auch z. B. in Form von Silikagel an den Randbereichen Feuchtigkeitssenken anzubrin- gen, um bei allen Witterungsbedingungen eine Taubildung zwischen diesen beiden Gläsern zu verhindern. Damit kann eine hohe Langzeittransmission gewährleistet werden, im eigentlichen Absorber selbst werden Strömungshindernisse aus dem vollem Schaumglas herausgearbeitet, deren Oberfläche gleichzeitig als Stütze und Klebefläche für das erste Deckglas dient. Hier sind Geometrien je nach Kollektorgröße optimierbar. Der Kern der Idee ist der, dass der ganze Kollektor aus einem Schaumglasblock einfach und kostengünstig mechanisch herausarbeitbar ist, als schwarzer Körper optimale Absorbereigenschaften besitzt, mit dem Schaumglas gleichzeitig eine optimale Isolierung vorliegt, während die Deckscheiben und der Wasserzufluss- sowie Abfluss mit bauüblichen Klebern sicher eingebracht werden können. Die Isolation zur Einstrahlungsseite hin kann wie beschrieben je nach Bedarf optional in verschiedenen Qualitäten ausgeführt werden. Dabei besticht der Kollektor durch ein sehr geringes Gewicht und wird mit Quadratmeterpreisen von unter 50€ die bisherigen normalen Kollektoren bei deutlich verbesserten Gesamteigenschaften preislich unterbieten können.
Da bis gut ein Drittel der aufgewendeten Energie bei der Solarthermie für Umwälzpum- pen aufgewendet wird ist es notwendig, für die energetische pay-back Zeit die Strömungswiderstände gerade bei den porösen Glasoberflächen zu minimieren. Dies wird auch notwendig bei Hintereinanderschaltungen von Modulen. Ebenfalls kann es notwendig sein, einer Verbröselung des Materials von außen vorzubeugen. All dies kann durch eine Ansinterung der Glasoberflächen und die damit erzielte Glättung erreicht werden, was auch für den Formgebungsprozess eine Alternative darstellt. Dazu kann bei der Schaumglasherstellung in einer geschlossenen Form mit den benötigten Konturen bei speziellen Temperatur-Zeit Kurven der komplette Absorber mit verglasten Gesamtoberflächen gebildet werden, wobei im heißen Zustand eine thermische Nachbehandlung der Oberflächen zur Verglasung notwendig sein könnte. In diesem Prozess könnten feinporöse Formen notwendig werden.
Die Erfindung wird durch die Figuren 1 und 2 verdeutlicht. Figur 1 zeigt die Seitenansicht und die Draufsicht und Figur 2 die Schnittansicht A-A und die Detailansicht F.
Die Erfindung soll an nachfolgenden zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden: Beispiel 1
Der Kollektor besteht aus einer Glasplatte aus mineralischen Rohstoffen, die als Absorber dient, zwei Glasscheiben als Abdeckung und Schaumglas als Wärmedämmstoff. Mögliche Zusammensetzungen der Glasplatte aus mineralischen Rohstoffen und des Schaumglases sind in der Tabelle 1 beispielhaft aufgeführt und in der DE 10 2009 022 575 A1 angegeben.
Tabelle 1 : Zusammensetzung und Eigenschaften (Ausdehnungskoeffizient a, Transformationstemperatur TG. Dichte p, und Liquidustemperatur TLiq. möglicher Einsatzgläser
Ma,% S1O2 ÄI2O3 CaÖ MgO Fe2Q3. Alkaa Te p Tim
Glas lien °€ g/cnri3 °C
1 46 21 ,2 2 6 696 2,74 1232.
2 61 10 18 3 3 5 7,07 662 2,65 Ί 230
3 44 23 22 2 2 ? 7, 12 888 2.74 1 192
4 49 15 19 7 5 5 6,91 674 2,78 1236
5 45 10 18 9 6 6 7, 14 662 2,83 1257
6 46 19 15 3 10 7 7,22 655 2,82 12.20
7 53 15 17 8 2 5 7,19 677 2,72 1249 Das Wärmeträgermedium fließt dabei zwischen Absorberplatte und der unteren Abdeckung. Fluidkanäle entstehen hierdurch eine Strukturierung der Absorberplatte während der Formgebung im Walzprozess. Figur 3
Beispiel 2 Die im Beispiel 1 eingesetzte Absorberplatte wird eingespart und das Schaumglas selbst dient nicht nur zur Wärmedämmung sondern auch als Absorber. Die Flutkanäle werden dabei direkt in das leicht zu bearbeitende Schaumglas eingefräst. (Figur 4)

Claims

Patentansprüche
1 . Thermischer solarer Flachkollektor, bestehend aus einer mit einem randseitig wasserdicht abgeschlossenen, mit Zu- und Ablauf versehenen Wärmeträgermediumleitungssystem mit mindestens zwei der Sonne zugewandten, mit Abstand voneinander angeordneten Glasscheiben, mit einer der Sonne abgewandten Wärmeisotationsschicht und einem Kollektorboden, wobei der Kollektorboden die untere Wand des Wärmeträgermediumleitungssystems und die innerste der der Sonne zugewandten Glasscheiben die obere Wand des Wärmeträgermediumleitungssystems bilden, gekennzeichnet dadurch, dass der Kollektorboden in Form von Schwarzglas und die der Sonne abgewandte Wärmeisolationsschicht in Form von Schaumglas mit geschlossener Porosität mit aufeinander abgestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet ist.
2. Thermisch solarer Flachkollektor nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, dass die der Sonne abgewandte Isolationsschicht in Form von Schaumglas aus Schwarzglas in einer Baueinheit gleichzeitig den Kollektorboden bildet.
3. Thermisch solarer Flachkollektor nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die der Sonne abgewandte Isolationsschicht in Form von Schaumglas aus Schwarzglas mit angesinterter Oberfläche in einer Baueinheit den Kollektorboden bildet.
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