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Dokumentenidentifikation DE102006029783A1 03.01.2008
Titel Strahlungskollektor
Anmelder Vincenz, Uwe, 04639 Gößnitz, DE;
Vincenz, Marcel, 04639 Gößnitz, DE
Erfinder Vincenz, Uwe, 04639 Gößnitz, DE;
Vincenz, Marcel, 04639 Gößnitz, DE
Vertreter M. Köhler und Kollegen, 04315 Leipzig
DE-Anmeldedatum 27.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006029783
Offenlegungstag 03.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse F24J 2/46(2006.01)A, F, I, 20060627, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Strahlungskollektor mit einem Absorber für einfallende elektromagnetische Strahlung.
Dieser Strahlungskollektor ist ausgestattet mit einem Absorber und mindestens einem von einem Wärmeträgermedium durchströmten Wärmeträgerleiter.
Dabei stehen der Absorber und der Wärmeträgerleiter in einem thermisch leitenden Kontakt miteinander, wobei an oder im Bereich des mindestens einen Wärmeträgerleiters neben dem Kontakt zu dem Absorber oder zum Absorber leitende Wärmeleiterelemente angeordnet sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Strahlungskollektor mit einem Absorber für einfallende elektromagnetische Strahlung.

Strahlungskollektoren und insbesondere Sonnenkollektoren dienen dazu, Strahlungsenergie in Wärme umzuwandeln und benutzen hierfür einen Absorber, mit denen die Strahlungsenergie aufgefangen und in Wärmeenergie umgesetzt wird. Die in dem Absorber entstandene Wärmeenergie wird dann auf ein Wärmeträgermedium übertragen, das in einem Wärmeträgerleiter umläuft, wobei der Wärmeträgerleiter mit dem Absorber in der Regel in thermisch leitender Verbindung steht. Das Wärmeträgermedium kann dann beispielsweise zur Heizung von Räumen, Schwimmbädern oder dergleichen genutzt werden.

Es sind unterschiedliche konstruktive Gestaltungen von Strahlungskollektoren bekannt, welche unterschiedliche Wirkungsgrade und Vor- und Nachteile aufweisen.

Ziel der Optimierung derartiger Strahlungskollektoren ist es einerseits, die Absorption der Strahlungsenergie am Absorber zu erhöhen und damit die Strahlung in Wärme umzuwandeln, zum anderen aber auch insbesondere den Wärmeübergang vom Absorber auf das Wärmeträgermedium möglichst effektiv zu machen. Hierbei werden die unterschiedlichsten Wärmeleitzahlen von festen und flüssigen Stoffen ausgenutzt, wodurch durch entsprechende Materialkombinationen und Verwendung geeigneter Wärmeträgermedien eine Optimierung erfolgen kann.

Am weitesten verbreitet sind so genannte Flachkollektoren, die aus einem flächigen Absorber hinter einer transparenten Abdeckung aufgebaut sind, wobei die transparente Abdeckung in der Regel aus einem entsprechend beschichteten Solarglas besteht, das sichtbares Licht gut durch lässt, gleichzeitig aber die vom Absorber nach der Umwandlung der einfallenden Strahlungsenergie vorderseitig ausgehende Wärmeabstrahlung zurückhält und darüber hinaus einen Wärmeentzug durch vorbeistreichende kältere Luft und damit Konvektionsverluste soweit wie möglich verhindert. Die transparente Abdeckung sorgt gemeinsam mit einem Gehäuse dafür, dass der Absorber und der hinter dem Absorber angeordnete und mit dem Absorber thermisch verbundene Wärmetauscher vor witterungseinflüssen geschützt sind. Innerhalb des Gehäuses wird zumindest auf der Rückseite und Seitenwand noch eine Wärmedämmung vorgesehen, durch die Wärmeverluste durch Wärmeleitung verhindert werden. Der Wärmetauscher besteht aus einer Anordnung von Wärmeträgerrohren, die am oder hinter dem Absorber angeordnet sind und durch die thermische Verbindung mit dem Absorber die von dem Absorber aufgenommene Strahlungsenergie und damit die umgewandelte Strahlungswärme über den Wärmetauscher an ein den Wärmetauscher durchfliegendes Wärmeträgermedium abgibt.

Eine weitere Bauform von Strahlungskollektoren sind die so genannten Vakuum-Röhrenkollektoren, die einen Absorber in der Form eines Absorberstreifens in einer evakuierten, druckfesten Gasröhre aufweisen. Die Wärmeflüssigkeit durchströmt den Absorber direkt in einem U-förmig gebogenen Wärmerohr oder im Gegenstrom in einem Rohr- im Rohr-System. Der Wärmetauscher ist üblicherweise an einem Ende des Vakuum-Röhrenkollektors angeordnet und wärmeleitend mit dem Wärmerohr verbunden, wobei das Wärmerohr selbst wieder thermisch leitend an dem Absorber festgelegt ist. Damit erfolgt eine Übertragung von dem Absorber auf das Wärmerohr und dessen Inhalt und von dem Inhalt des Wärmerohres in einem Wärmetauscher auf eine Wärmeträgerflüssigkeit.

Beiden vorstehenden, aber auch anderen Bauformen von Strahlungskollektoren liegt der gemeinsamen Nachteil zugrunde, dass bei der Umwandlung der Strahlungsenergie in dem Absorber ein teil der Strahlungsenergie von dem Absorber wieder in den Umgebungsbereich abgegeben wird, ohne dass diese Strahlungsenergie über den Wärmeträgerleiter auf die Wärmeträgerflüssigkeit übertragen werden kann. Ein Teil dieser Strahlungswärme wird vorderseitig und damit in Einfallsrichtung der Strahlungsenergie vom Absorber wieder abgegeben und kann in gewissen Grenzen durch eine entsprechende Ausgestaltung der transparenten Abdeckung beispielsweise eines Flachkollektors aufgefangen und im Inneren des Flachkollektors gehalten werden.

Damit kann ein Teil dieser Abwärme über entsprechende thermische Leitung doch noch in den Wärmeträger eingekoppelt und auf das Wärmeträgermedium übertragen werden. Neben der Abstrahlung von Wärmestrahlung in die Richtung zurück, aus der die Strahlungsenergie in den Kollektor einfällt, wird auch auf der Rückseite des üblicherweise flächig ausgebildeten Absorbers Wärmestrahlung vom Absorber eigentlich nutzlos abgegeben. Hierbei wird beispielsweise bei Flachkollektoren durch eine entsprechende Wärmedämmurig dafür gesorgt, dass auch diese Strahlungswärme innerhalb des Flachkollektors verbleibt und in dem schon geschilderten Wege indirekt und unter relativ großen Verlusten doch noch in die Wärmeträgerflüssigkeit eingekoppelt werden kann. Je nach der Bauart des Absorbers sind die Verluste an Wärmestrahlung, die durch die senkrecht zu den üblicherweise flächigen Oberflächen des Absorbers angestrahlte Wärmeenergie verloren geht, relativ hoch. Es ist daher schon mehrfach vorgeschlagen worden, diese Strahlungsenergie durch entsprechende Modifikation des Strahlenkollektors zu mindestens teilweise mit einem höheren Wirkungsgrad zurückzugewinnen, als dies bei den üblichen Bauformen möglich ist.

So ist beispielsweise aus der DE 3236888 A1 ein Sonnenkollektorsystem aus mehreren parallel zueinander angeordneten, rinnenförmigen Hohlspiegelreflektoren bekannt, die um eine Längsachse parallel zueinander verstellbar sind, wobei das einfallende Sonnenlicht jeweils auf Kollektorrohre fokussiert wird, die auf der Rückseite eines benachbarten Reflektors angeordnet sind und gleichzeitig als Drehachse für diesen Reflektor dienen. Die Rückseite jedes Reflektors ist mit einer Licht absorbierenden Schicht versehen, so dass insgesamt ein höherer Anteil des einfallenden Sonnenlichtes in Wärmeenergie innerhalb des Wärmeträgermediums umgesetzt werden kann.

Einen anderen Weg geht die DE 19505981 A1, bei der ein Sonnenkollektor mit einem zweifachen Absorber derart versehen ist, dass die Sonnenstrahlen auf einem teilweise lichtdurchlässigen Absorber auftreffen und ein Teil dieser Sonnenstrahlen in diesem Absorber absorbiert und in Wärmeenergie umgesetzt wird. Der andere Teil der Sonnenstrahlen tritt durch den ersten Absorber hindurch und trifft auf den weiter innenliegenden zweiten Absorber, in dem dann die Sonnenstrahlen ebenfalls in Wärmeenergie umgesetzt werden können. Durch diese doppelte Ausgestaltung eines Absorbers wird die Wärmestrahlung, die von dem ersten Absorber in den Bereich des zweiten Absorber abgestrahlt wird, von dem zweiten Absorber ebenfalls mit aufgenommen und an das Wärmeträgermedium abgegeben. Hierdurch kann die Effektivität erhöht worden.

Nachteilig bei den bekannten Strahlungskollektoren ist jedoch, dass es mit diesen technischen Lösungen nicht möglich ist, einen größeren Bereich der vorhandenen Strahlung wirksam werden zu lassen, sondern es wird weitestgehend nur der Bereich der IR-Strahlung ausgenutzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Strahlungskollektor der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, dass ein größerer Teil von einem Absorber abgegebenen und aus der Strahlungsenergie hervorgegangenen Wärmestrahlung, die bei bekannten Bauarten nicht oder nur unzureichend auf ein Wärmeträgermedium übertragen werden kann, zurückgewonnen wird und mit einem hohen Wirkungsgrad in das Wärmeträgermedium eingekoppelt werden kann.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend soll die Erfindung näher erläutert werden. Ein Strahlungskollektor 1 für anfallende elektromagnetische Strahlung 8, insbesondere einfallende Sonnenstrahlung, ist ausgestattet mit einem Absorber 10 und mindestens einem von einem Wärmeträgermedium 4 durchströmten Wärmeträgerleiter 2.

Dabei stehen Absorber 10 und Wärmeträgerleiter 2 in einem thermisch leitenden Kontakt miteinander, wobei an oder im Bereich des mindestens einen Wärmeträgerleiters 2 neben dem Kontakt zu dem Absorber 10 oder zum Absorber 10 leitende Wärmeleiterelemente 3 angeordnet sind.

Erfindungsgemäß wurden die Oberflächen und/oder die chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften der Wärmeleiterelemente 3 einer gezielten und gesteuerten Beeinflussung mit dem Ziel einer Änderung des Verhältnisses von Absorption zu Reflektion im gesamten Strahlungsband unterworfen.

Vorzugsweise wird diese Eigenschaftsänderung bewirkt durch mechanische, chemische oder physikalische Behandlung der Oberflächen der Wärmeleiterelemente 3.

Dem Schutzumfang als zugehörig zu betrachten sind allerdings auch Kombinationen der vorgenannten Behandlungen als auch hier nicht benannte Behandlungen.

Als einfachste Art der mechanischen Behandlung kann die zu behandelnde Oberfläche mit einer Farbbeschichtung versehen werden. Dabei werden vorzugsweise Farben ausgewählt, welche die zu erzielende Wirkung durch ihre Zusammensetzung unterstützen.

Als Beispiele für die weiteren genannten Behandlungsmöglichkeiten seien nur beispielhaft genannt das Eloxieren als eine Art der chemischen Behandlungsverfahren beziehungsweise das Ionisieren als eine physikalische Behandlung.

Diese gezielte und gesteuerte Beeinflussung der Oberflächen der Wärmeleiterelemente 3 bewirkt eine Änderung des Verhältnisses von Absorption zu Reflektion im solarthermischen System des Strahlungskollektors 1 im gesamten Strahlungsband der elektromagnetischen Strahlung 8, insbesondere der einfallenden Sonnenstrahlung, zugunsten der Absorption zu realisieren ist.

1
Strahlungskollektor
2
Wärmeträgerleiter
3
Wärmeleitelement
4
Wärmeträgermedium
5
Gehäuse
6, 6'
Reflektionsschicht
7
Dämmung
8
einfallende Sonnenstrahlung
9
transparente Abdeckung
10
Absorber
11
von Absorber abgegebene Wärmestrahlung
12
von Absorber abgegebene Wärmestrahlung
13
von Reflektionsschicht reflektierende Wärmestrahlung
14
wärmeleitende Verbindung
15
wärmeleitende Verbindung
16
Trennstege
17, 17''''
Kammern
18
Wärmestrahlung aufnehmende Fläche des Wärmeleitelements
19
transparentes Außenrohr
20
Vakuum
21
Vorsprünge
22
von Einfallsrichtung abgewandte Seite des Absorbers
23
Absorptionsfläche


Anspruch[de]
Strahlungskollektor (1) mit einem Absorber (10) für anfallende elektromagnetische Strahlung (8), insbesondere einfallende Sonnenstrahlung, und mindestens einem von einem Wärmeträgermedium (4) durchströmten Wärmeträgerleiter (2), bei dem Absorber (10) und Wärmeträgerleiter (2) in einem thermisch leitenden Kontakt miteinander stehen, welcher an oder im Bereich des mindestens einen Wärmeträgerleiters (2) neben dem Kontakt zu dem Absorber (10) oder zum Absorber (10) leitende Wärmeleiterelemente (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung des Verhältnisses von Absorption zu Reflektion im solarthermischen System des Strahlungskollektors (1) im gesamten Strahlungsband der elektromagnetischen Strahlung (8), insbesondere der einfallenden Sonnenstrahlung, zugunsten der Absorption erfolgt. Strahlungskollektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Verhältnisses von Absorption zu Reflektion durch eine Behandlung der Oberfläche der Wärmeleiterelemente (3) erfolgt. Strahlungskollektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Verhältnisses von Absorption zu Reflektion durch Beeinflussung der chemischen Eigenschaften der Wärmeleiterelemente (3) realisiert wird. Strahlungskollektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Verhältnisses von Absorption zu Reflektion durch Beeinflussung der physikalischen Eigenschaften der Wärmeleiterelemente (3) realisiert wird. Strahlungskollektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Verhältnisses von Absorption zu Reflektion durch eine Kombination von Oberflächenbehandlung und/oder Beeinflussung der chemischen Eigenschaften und/oder Beeinflussung der physikalischen Eigenschaften realisiert wird. Strahlungskollektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Verhältnisses von Absorption zu Reflektion durch mechanische Behandlung der Oberflächen der Wärmeleiterelemente 3 realisiert wird. Strahlungskollektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Verhältnisses von Absorption zu Reflektion durch chemische Behandlung der Oberflächen der Wärmeleiterelemente 3 realisiert wird. Strahlungskollektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Verhältnisses von Absorption zu Reflektion durch physikalische Behandlung der Oberflächen der Wärmeleiterelemente 3 realisiert wird. Strahlungskollektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Verhältnisses von Absorption zu Reflektion durch eine Kombination aus mechanischer und/oder chemischer und/oder physikalischer Behandlung der Oberflächen der Wärmeleiterelemente 3 realisiert wird.






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