CH615265A5

CH615265A5 -

Info

Publication number: CH615265A5
Application number: CH432376A
Authority: CH
Inventors: Richard Daniel Cummings
Original assignee: Daystar Corp
Priority date: 1975-04-07
Filing date: 1976-04-06
Publication date: 1980-01-15
Also published as: NZ180346A; FR2307234A1; IL49254A; AU1219176A; JPS51126533A; CA1044544A; ZA761643B; BR7602091A; AR215856A1; GB1539985A; AU498020B2; MX3230E; US4019496A; IT1058777B; ES446440A1; IL49254A0

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenenergie in Wärmeenergie, mit einem isolierten Rahmen, einem in den Rahmen eingebauten Sonnenenergie-Absorber, einem mit dem Absorber in thermischer Verbindung stehenden Strömungs-Wärmeaustauscher zur Abfuhr von absorbierter Sonnenenergie in Form von Wärmeenergie und einem für Sonnenenergie durchlässigen Fenster, welches in den Rahmen mit Abstand von dem Absorber eingesetzt ist.

Es sind schon verschiedene Vorrichtungen bei Sonnenenergieabsorbern verwendet worden, um Verluste an von dem Absorber gesammelter Wärme durch Wärmestrahlung, Kon-vekton und Wärmeleitung zu verhindern. So beschreibt z. B. Buchberg in seinem in der Zeitschrift Solar Energy, Bd. 13, S. 193 (1971) erschienenen Artikel «Performance Character-istics of Rectangular Honeycomb Solar-Thermal Converters» eine zwischen dem Absorber und einem transparenten Fenster angeordnete Honigwabenstruktur. Bei dieser Honigwabenstruktur sind die Zellen ausreichend klein gewählt und die Wände wärmeabsorbierend, um die Wärmekonvek-tion und die Wärmeabstrahlung auf niedrige Werte zu begrenzen. Es wurden auch Versuche zur Modifikation des Lösungsweges mit Honigwabenstrukturen unternommen, bei denen in geringem Abstand parallel zueinander verlaufende und zum Fenster senkrechte Wände verwendet wurden, um lange und schmale Kanäle zu erhalten, welche die Wärmeverluste auf gleiche Weise wie die Zellen der Honigwabenstruktur niedrig halten, durch die aber die Übertragung von Sonnenenergie auf den Absorber weniger gestört ist, wenn die Anordnung mit in Richtung der Ost-West-Sonnenbahn verlaufenden Kanälen ausgerichtet ist. Es wurden auch zum Aus-senfenster parallel ausgerichtete Zusatzfenster ausprobiert; diese Zusatzfenster hemmen zwar die Wärmekonvektion, haben aber den Nachteil, dass sie durch Reflexion viel Licht von dem Absorber fernhalten und dadurch die Übertragung von Sonnenenergie beachtlich stören.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenenergie in Wärmeenergie hoher Leistung zu schaffen, bei welcher die durch Abstrahlung und Konvektion bedingten Verluste an Wärmeenergie weitge-hendst verringert sind und eine maximale Übertragung von Sonnenenergie auf den Absorber gewährleistet ist, und die ferner eine dauerhafte, zuverlässige, bei Betriebstemperaturen formbeständige sowie leicht und wirtschaftlich herstellbare Wärmefalle aufweist.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenenergie in Wärmeenergie ist gekennzeichnet durch ein Wärmeverluste unterdrückendes Mittel, welches eine Vielzahl von sich zwischen dem Fenster und dem Absorber erstreckenden Wänden aufweist, und in welchem nebeneinanderliegende Wände höchstens zu einem Teil zueinander parallel sind, um einen ersten Satz von langgestreckten, im allgemeinen divergierenden und zum Fenster hin sich öffnenden Kanälen zu bilden, der mit einem zweiten Satz von langgestreckten, im allgemeinen divergierenden und zum Absorber hin sich öffnenden Kanälen verzahnt ist, wobei die Wände aus einem für Sonnenstrahlung durchlässigen und Wärmestrahlung absorbierenden Material bestehen und benachbarte Wände je in einer einen spitzen Winkel einschliessenden Schräglage angeordnet sind, derart, dass a) bei Ausrichtung der Vorrichtung mit in Ost-West-Richtung verlaufenden Kanälen die das Fenster passierenden und auf die Wände treffenden Sonnenstrahlen in eine durchgelassene, auf den Absorber hin gerichtete grössere Strahlungskomponente und eine reflektierte, auf den Absorber hin gerichtete kleinere Strahlungskompo

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nente aufgeteilt sind, b) die Kanäle zur Verminderung der konvektionsbedingten Wärmeverluste eng und c) die Kanäle zur Verminderung der strahlungsbedingten Wärmeverluste tief sind. In bevorzugten Ausführungsformen kann das Wärmeverluste unterdrückende Mittel aus einem in Zickzackform gefalteten Materialbogen bestehen, bei dem die Kanäle zwischen den nebeneinanderliegenden Faltungen liegen, wobei die Tiefe der Kanäle wenigstens das Dreifache (vorzugsweise das Zehnfache), jedoch nicht mehr als das Zwanzigfache der grössten Kanalbreite und die Kanalbreite nicht mehr als 10 mm betragen kann. Die Materialbogen kann periphere Flansche aufweisen, die mit dem Rahmen verbunden sind, und die die geschlossenen Enden der Kanäle des zweiten Satzes darstellenden Knickkanten können das Fenster berühren. Der Rahmen kann innere Seitenwände aufweisen, die in Richtung vom Fenster zum Absorber konvergieren. Die Erfindung ist für alle Temperaturbereiche anwendbar, z. B. bei Flachplatten-Kollektoren für Betriebstemperaturen unter 205° C und bei Sammel-Kollektoren für Betriebstemperaturen oberhalb 260° C.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung einen zum Teil aufgebrochenen Flachplatten-Kollektor nach der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Flachplatten-Kollektor der Fig. 1 längs der Linie 2—2;

Fig. 3 einen Schnitt durch den Flachplatten-Kollektor der Fig. 1 längs der Linie 3—3;

Fig. 4 in vergrösserter Darstellung ein Stück der Fig. 2 und

Fig. 5 im Schnitt einen Absorber eines konzentrierenden Kollektors nach der Erfindung.

Bei der in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsform hat ein rechteckiger Rahmen 10 in der Grösse von 1,2 X 2,1 m einen wärmeisolierenden Boden 12 und isolierende Seiten 14, 16 mit schräg abfallenden inneren Seitenwänden 18, 20, um einen Fensterbereich 22 (Fig. 1) zu erhalten, der für eine erhöhte Wirksamkeit grösser als der freie Bodenbereich 24 ist. Der Boden 12 trägt einen Wärmeabsorber 25, der an seinem Umfang in einer Rahmen-Auskehlung 26 gehalten ist. Ein transparentes Fenster 28 ist mittels sich längs seiner Ränder erstreckender U-Profil-Trägern 30, 32 oben auf dem Rahmen über dem Fensterbereich 22 befestigt. Zwischen dem Absorber und dem Fenster ist eine gefaltete Wärmefalle 34 angeordnet.

Der Absorber 25 hat eine schwarze Oberfläche, um die das Fenster 28 passierende Sonnenenergie zu absorbieren. Kanäle 40 sind an Verteilrohre 42 und 44 und diese an Ein-und Auslassleitungen 46 und 48 angeschlossen, um eine Flüssigkeitszirkulation durch den Absorber aufrecht zu erhalten und die aufgenommene Wärme zur Gebrauchsstelle zu übertragen.

Die Wärmefalle 34 besteht aus einem für Licht hochdurchlässigen und Wärme stark absorbierenden Kunststoff. Der Kunststoffbogen ist in Zickzack gefaltet, um einen Satz keilförmiger Kanäle 50 zu bilden, die zum Fenster 28 hin divergieren und dort offen sind, und einen zweiten Satz keilförmiger Kanäle 52 zu ergeben, die mit den Kanälen 50 verzahnt sind und zum Absorber 25 hindivergieren und dort offen sind. Die Endfaltungen 54 sind weniger tief als die übrigen, liegen an den Wänden 20 an und haben Lappen 56 (Fig. 2,4), die zwischen den Rahmen und die U-Profil-Träger 32 eingeklemmt sind. An den Längsseiten der Wärmefalle sind im oberen Bereich ähnliche Lappen 58 (Fig. 3) befestigt, die zwischen den Rahmen und die U-Profil-Träger 30 eingeklemmt sind. Auf diese Weise sind die oberen Scheitel 60

der Wärmefalle an das Fenster 28 angedrückt gehalten. In den U-Profil-Trägern 30 (Fig. 2, 4) sind Schlitze 62 zur Aufnahme der Scheitel 60 vorgesehen. An den Wänden 18 (Fig. 3) sind Abstandsstücke 64 befestigt, die zwischen die einzelnen Faltungen eingreifende Nasen 66 aufweisen. Diese Abstandsstücke 64 gewährleisten zusammen mit den Schlitzen 62, dass die gefaltete Struktur der Wärmefalle aufrechterhalten wird. Die unteren Scheitel 68 der Wärmefalle haben einen ausreichenden Abstand von dem Absorber, um die temperaturbedingte Ausdehnung während des Betriebes abzufangen.

Für einen optimalen Betrieb sind die Masse der Faltungen von Bedeutung. Die grösste Weite W der Kanäle 52 und 50 soll kleiner als etwa 10 mm sein, um die Ausbildung natürlicher Konvektionszellen zu unterdrücken. Die Tiefe D der Kanäle soll ein Drei- bis Zwanzigfaches (vorzugsweise wenigstens das Zehnfache) der grössten Kanalbreite W betragen, um ein Abstrahlen der vom Absorber bereits absorbierten Wärme durch das Fenster 28 zu unterdrücken.

Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Ausführungsvariante ist als Flachplatten-Kollektor für den Bereich niedriger Temperaturen (z. B. unterhalb von 205° C) konzipiert. Der Kollektor wird vorzugsweise so installiert, dass die Kanäle 50 im wesentlichen parallel zu dem von den Sonnenstrahlen während des Tages überstrichenen Ost-West-Bogen 70 (Fig. 1) verlaufen. Im Betrieb werden die meisten der aufgefangenen Sonnenstrahlen 72 (Fig. 4) unter einem spitzen Winkel A auf die Fläche 73 der Wärmefalle 34 auftreffen. Der grösste Teil der aufgenommenen Sonnenstrahlung wird dann zum Absorber durchgelassen. Die schwache reflektierte Strahlung 72a wird wegen des kleinen Wertes von A, der auch der Reflexionswinkel ist, ebenfalls zum Absorber hin gerichtet sein. Die reflektierten Strahlen 72a werden auf die gegenüberliegende Wand 74 unter einem anderen spitzen Winkel B auftreffen, wobei wiederum der grösste Anteil der Strahlung zum Absorber hin durchgelassen und nur ein kleiner Strahlungsanteil 72b zurück zur Fläche 73 reflektiert wird. In jedem konvergierenden Kanal 50 tritt eine Folge solcher Wechselwirkungen auf, bis faktisch alle Energie der eintreffenden Strahlen den Absorber erreicht. Der von dem Absorber in die Kanäle 52 in Richtung der Pfeile 80 zurückreflektierte Bruchteil absorbierter Wärme wird von den Kanalwänden z. B. bei 82 absorbiert. Ein Bruchteil der bei 82 absorbierten Wärme wird in Richtung der Pfeile 84 symmetrisch reflektiert und wiederum von den Fallenwänden absorbiert. Auf diese Weise wird infolge der spektral selektiven Durchlässigkeit und Absorption des Fallenmaterials zusammen mit der Geometrie der ineinander verzahnten Kanäle in dem Kollektor ein sehr hoher Bruchteil des eintreffenden Lichtes zurückgehalten.

Der Wirkungsgrad des Kollektors ist ferner auch durch die Konvektion unterdrückende Wirkung der Wärmefalle 34 vergrössert. An erster Stelle bildet die Wärmefalle, da sie aus einem nicht unterbrochenen Materialbogen geformt ist, eine sich quer durch den Kollektor erstreckende faktisch lückenlose Konvektionssperre zwischen dem Fenster und dem Absorber. In diesem Sinne erbringt sie die Vorteile eines zweiten Fensters, ohne jedoch dessen Nachteile aufzuweisen. An zweiter Stelle ergibt die geringe Weite der Kanäle 52 einen für die Ausbildung natürlicher Konvektionszellen nicht ausreichenden Raum.

Die Wärmefalle kann auch in einem konzentrierenden Kollektor (z. B. nach dem US-Patent Nr. 3 869 199) für hohe Temperaturen (z. B. über 260° C) verwendet werden, wofür in Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel gezeigt ist Die Wärmefalle 90 ist zwischen dem Fenster 92 und dem an der Flüssigkeitsleitung 96 anliegenden Absorber 94 angeordnet.

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1 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenenergie in Wärmeenergie, mit einem isolierten Rahmen, einem in den Rahmen eingebauten Sonnenenergie-Absorber, einem mit dem Absorber in thermischer Verbindung stehenden Strömungs- 5 Wärmeaustauscher zur Abfuhr von absorbierter Sonnenenergie in Form von Wärmeenergie und einem für Sonnenenergie durchlässigen Fenster, welches in den Rahmen mit Abstand von dem Absorber eingesetzt ist, gekennzeichnet durch ein Wärmeverluste unterdrückendes Mittel (34), welches eine 10 Vielzahl von sich zwischen dem Fenster (28) und dem Absorber (25) erstreckenden Wänden aufweist, und in welchem nebeneinanderliegende Wände höchstens zu einem Teil zueinander parallel sind, um einen ersten Satz von langgestreckten, im allgemeinen divergierenden und zum Fenster (28) hin sich 15 öffnenden Kanälen (50) zu bilden, der mit einem zweiten Satz von langgestreckten, im allgemeinen divergierenden und zum Absorber (25) hin sich öffnenden Kanälen (52) verzahnt ist, wobei die Wände aus einem für Sonnenstrahlung durchlässigen und Wärmestrahlung absorbierenden Material bestehen 20 und benachbarte Wände je in einer einen spitzen Winkel ein-schliessenden Schräglage angeordnet sind, derart, dass a) bei Ausrichtung der Vorrichtung mit in Ost-West-Richtung verlaufenden Kanälen die das Fenster passierenden und auf die Wände treffenden Sonnenstrahlen (72) in eine durchgelassene, 25 auf den Absorber hin gerichtete grössere Strahlungskomponente und eine reflektierte, auf den Absorber hin gerichtete kleinere Strahlungskomponente (72a) aufgeteilt sind, b) die Kanäle (50, 52) zur Verminderung der konvektionsbeding-

ten Wärmeverluste eng und c) die Kanäle (50, 52) zur Ver- 30 minderung der strahlungsbedingten Wärmeverluste tief sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände eben sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nebeneinanderliegenden, jeweils einen Kanal (50, 52) begrenzenden Wände sich unter einem spitzen Winkel treffen, um den Kanal einseitig abzuschliessen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände aus einem lückenlosen Bogen des genannten Materials geformt sind und der Materialbogen eine durchgehende Konvektionssperre zwischen dem Absorber (25) und dem Fenster (28) bildet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeverluste unterdrückende Mittel (34) aus einem Bogen des genannten Materials besteht, der in Zickzackform gefaltet ist, um zwischen je zwei nebeneinanderliegenden Faltungen einen Kanal (50; 52) zu bilden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Kanäle (50, 52) wenigstens das Dreifache M und nicht mehr als das Zwanzigfache ihrer grössten Breite beträgt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanaltiefe wenigstens das Zehnfache der grössten Kanalbreite beträgt. ^
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die grösste Kanalbreite nicht mehr als 10 mm beträgt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialbogen am Umfang abstehende Lappen (56) aufweist, die mit dem Rahmen (10) verbunden sind, und die w Faltkanten (60) an der geschlossenen Seite der Kanäle (52)

des zweiten Kanalsatzes das Fenster (28) berühren.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Flachplatten-Kollektor ausgebildet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- 65 net, dass sie einen Absorber (94) eines konzentrierten Kollektors enthält.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Seitenwände (20) des Rahmens (10) .vom Fenster (28) zum Absorber (25) hin konvergieren.