Solar-Kollktor
Auch diese Idee kam mir bei der Beschäftigung mit dem Thema Solarthermie. Warum den Umweg der Wärmeübertragung von der Strahlung über ein Blech gehen? Die Strahlung kann auch direkt in der Flüssigkeit absorbiert werden. Meine eigenen Versuche einen solchen Kollektor zu bauen sind allerdings gescheitert. Das größte Problem bestand in der Abdichtung und Verbindung des Glases mit der Wanne. Der hat kurz funktioniert - dann ist er geplatzt.
Der Prototyp des Kollektors, hier noch in Ordnung
der Platzer
... Variante 1:
Die Wärmeträgerflüssigkeit fungiert gleichzeitig als Absorber. Dadurch wird die einfallende Globalstrahlung direkt in der Wärmeträgerflüssigkeit (1) in Wärme ungewandelt. Die komplizierten Wärmeübergänge vom Absorber (-Blech) zur Wärmeüberträgerflüssigkeit entfallen. Des weiteren kann die Wärme sofort abtransportiert werden, einzelne Stellen des Kollektors werden nicht übermäßig heiß.
Als Wärmeträgerflüssigkeit kann zum Beispiel eine kolloide Dispersion verwendet werden, dessen Absorptionskoeffizient im Wellenlängenbereich 300nm bis 3000nm besonders hoch ist.
Die Kollektorbodenwanne (2) besteht aus Metall und ist mit einer reflektierenden Schicht (3) versehen. Die Kanäle (4) der Kollektorbodenwanne sind so tief, dass der Lichtstrom nach zweimaligem Durchgang durch die Absorptionsflüssigkeit völlig absorbiert wurde, d.h. in Wärme umgewandelt wurde. Es ist allerdings auch denkbar eine absorbierenden Schicht auf die Kollektorbodenwanne aufzutragen. In dieser absorbierenden Schicht wird das Restlicht, welches nicht von der Absorberflüssigkeit aufgenommen wurde absorbiert und in Wärme ungewandelt. Diese Wärme wird nun an die Absorptionsflüssigkeit abgegeben.
Die Kanäle haben vorzugsweise im Querschnitt eine V-, Parabol- oder Rechteckform.
Der Rücklaufanschluss (5) (von Wärmetauscher) befindet sich in einer unteren Ecke der Kollektorbodenwanne. Der Vorlaufanschluss (6) (zum Wärmetauscher) befindet sich in der gegenüberliegenden oberen Ecke. Die Kanalführung ist so gewählt, dass die Absorberflüssigkeit durch alle Kanäle die gleiche Zeit benötigt um vom Rücklauf zum Vorlauf zu fließen. Wenn die Kanalführung richtig gewählt ist unterscheidet sich die Fließgeschwindigkeit der Absorberflüssigkeit in allen Kanalquerschnittsmittelpunkten nur gering. Die Dimension der Anschlüsse, Rohrleitungen und Pumpen muss so gewählt werden, dass der Absorberflüssigkeit genügend Zeit zur Verfügung steht, die Globalstrahlung zu absorbieren, d.h. sich zu erwärmen.
Die Doppelscheibenanordnung (7) besteht aus einem Rahmen (8) und zwei hochtransparenten Glasscheiben (9.1)(9.2). Die beiden Scheiben sind dicht mit dem Rahmen verbunden. Im entstandenen Raum (10) zwischen den Scheiben befindet sich ein Teilvakuum, Vakuum oder ein Isolationsgas. Der Aufbau dieser Doppelglasanordnung entspricht in etwa der Verglasung von Doppelglasfenstern. Die lichtzugewandten Seiten der oberen und unteren Scheibe werden mit refflektionsmindernden Schichten (11) versehen. Diese Beschichtung soll einen maximalen Lichtstrom aller auftreffenden Wellenlängen durch die Doppelglasanordnung bewirken. Auf der unteren Seite ist hier nur eine Scheibe mit einer reflektierenden Schicht (12) versehen, so dass Licht im ultravioletten (UV) und sichtbaren (VIS) Bereich, aber ganz besonders Infrarotlicht (IR) in die Absorptionsflüssigkeit zurückreflektiert wird. Es ist auch denkbar beide Scheiben mit einer solchen Schicht zu versehen.
Die Doppelglasanordnung wird mit den Stegen der Kollektorbodenwanne punkt- oder linienförmig verbunden (13). Das Verbinden kann durch Kleben, Vernieten, Aufschmelzen, Klemmen oder anderen geeigneten Verbindungstechniken realisiert werden.
An Stelle von Glas kann die isolierende Doppelscheibenanordnung auch aus Kunststoff bestehen.
Die Kollektorform kann der Dachform angepasst werden. Aus mehreren kleinen Kollektorelementen kann ein größeres zusammengestellt werden. Dabei kann die Form eines solchen Einzelelementes z.B. der Form einer Dachziegel oder einer Schindel entsprechen.
Besteht die Gefahr der Überhitzung, d.h. der zulässige Arbeitstemperaturbereich wird überschritten (z.B. bei Stillstand), wird die Absorberflüssigkeit in einen externen Behälter (14) abgelassen oder gepumpt. Der Behälter wird nicht von der Sonne beschienen. Bei erreichen des zulässigen Arbeitstemperaturbereiches wird die Absorberflüssigkeit wieder in den Kollektor gepumpt.
Das Abpumpen und Zuführen wird auch bei unterschreiten (Frostgefahr) des zulässigen Arbeitstemperaturbereiches durchgeführt. Für das Abpumpen und zuführen ist eine Regelung (15) vorgesehen, welche die Temperatur mittels Temperaturfühler (16) der Absorberflüssigkeit im Kollektor misst und bei Bedarf die Pumpe (17) und Ventile (18) im Solarkreislauf schaltet.
Eine weitere Möglichkeit das Entleeren und Befüllen des Kollektors zu realisieren, besteht in der Ausnutzung der Druckerhöhung beim Phasenübergang flüssig-gasförmig.
So beginnt die Absorberflüssigkeit bei Überschreitung der Arbeitstemperatur zu sieden. Das entstehende Gas verdrängt die noch nicht siedende Flüssigkeit, in den externen Behälter, der Kollektor wird entleert. Ist die Arbeitstemperatur wieder erreicht kondensiert das Gas und der Kollektor füllt sich wieder. Die maximale Arbeitstemperatur wird hier von der Siedetemperatur der Absorberflüssigkeit bestimmt. Bei dieser Methode muss die Absorberflüssigkeit Frostschutzmittel zugesetzt werden um einer Zerstörung durch Frost vorzubeugen.
Der Kollektor ist auf der lichtabgewandten Seite, der Rückseite, und an den Seiten mit einer Wärmedämmung (19) versehen.
Variante 2:
Bei der zweiten Variante besteht der Kollektor aus den gleichen Bestandteilen wie bei Variante 1, nur ist die unterste Scheibe der Doppelscheibenanordnung auf beiden Seiten oder nur auf einer (vorzugsweise die unterste Seite) mit einer Sonnenlicht absorbierenden Schicht (20) versehen. Diese Schichten können selektiv wirken und aus Lacken, Metalloxiden oder anderen geeigneten Materialien bestehen. Die Wärmeträgerflüssigkeit (1.1) ist in diesem Aufbau nicht gleichzeitig der Absorber und muss deshalb nicht zwingend Strahlung im UV- und VIS-Bereich absorbieren.
Die Globalstrahlung dringt durch die Doppelscheibenanordnung und wird von der Absorberschicht (20) auf der unteren Scheibe in Wärme umgewandelt. Die in den Kanälen befindliche Wärmeträgerflüssigkeit nimmt die Wärme sofort auf. Aufgrund der geringen Schichtdicke erfolgt die Wärmeleitung schnell und ohne nennenswerte Verluste.
Variante 3:
Die Variante 3 ist eine Mischung aus den Varianten 1 und 2.
Die untere Scheibe der Doppelscheibenanordnung ist vorzugsweise auf der unteren Seite mit einer teilabsorbierenden Schicht (21) versehen. ....
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