CH635918A5

CH635918A5 - Device for collecting and converting solar energy

Info

Publication number: CH635918A5
Application number: CH177879A
Authority: CH
Inventors: David Peter Walker; Nigel Geoffrey Alan Cobham
Original assignee: Brave Trading Ltd
Priority date: 1978-02-23
Filing date: 1979-02-22
Publication date: 1983-04-29
Also published as: ES477963A1; GB1596696A; FR2418426A1; AU528932B2; AU4446179A; BR7901168A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Auffangen sowohl direkter als auch diffuser Sonnenstrahlung und deren Umwandlung in nutzbare Wärme. Insbesondere 65 bezieht sich die Erfindung auf ein Sonnenstrahlen auffangendes Empfängerelement, welches dazu bestimmt ist, mindestens einen Bestandteil dieser Vorrichtung zu bilden. The present invention relates to a device for collecting both direct and diffuse solar radiation and converting it into usable heat. In particular, the invention relates to a receiver element which collects sun rays and is intended to form at least one component of this device.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist gekennzeichnet durch mindestens ein Empfängerelement, welches ein Rohr, mit mindestens einer metallischen Längsrippe, sowie einen an den Enden geschlossenen Kanal mit spiegelnd reflektierender Innenfläche aufweist, welche so ausgebildet ist. dass sie sowohl direkte als diffuse Strahlung reflektiert, die nicht unmittelbar auf Rohr und Rippe auftrifft, und durch mindestens einen Wärmetauscher zum Umwandeln der im Rohr entwickelten Wärme. Das Rohr kann, wenn nötig, ein Heizrohr sein, und der Wärmeaustauscher kann an einem Ende des Rohres sitzen. The device according to the invention is characterized by at least one receiver element which has a tube with at least one metallic longitudinal rib, and a channel closed at the ends with a reflecting reflective inner surface, which is designed in this way. that it reflects both direct and diffuse radiation that does not strike the tube and fin directly, and by at least one heat exchanger for converting the heat developed in the tube. The tube can be a heating tube if necessary and the heat exchanger can be located at one end of the tube.

Das mit Rippen versehene Heizrohr, d. h. ein abgeschlossenes, unter niederem Druck stehendes Siede- und Kondensationssystem, nutzt die Schwerkraft und/oder Kapillarwirkungen aus, damit das Kondensat wieder in den Bereich der Verdampfung gelangt. In einem solchen System wird Wärmeenergie mittels der latenten Verdampfungswärme der Arbeitsflüssigkeit transportiert. Das mit Rippen versehene Heizrohr besteht normalerweise ganz oder teilweise aus Metall oder anderem leitfähigen Material, welches mit einer strahlungsabsorbierenden Schicht überzogen ist, die zweckmässig eine niedrige thermische Abstrahlungs-fähigkeit und eine hohe Absorptionsfähigkeit aufweist (selektive Beschichtung). Solche Materialien können aus einem Grundmetall bestehen, welches zuerst mit Nickel elektroplattiert und dann mit schwarzem Chrom plattiert ist, wobei die Dicke der letzteren Schicht in der Grössenordnung der Wellenlänge der ankommenden kurzwelligen Sonnenstrahlung liegt. The finned heating tube, i.e. H. a closed, low-pressure boiling and condensation system uses gravity and / or capillary effects so that the condensate gets back into the area of evaporation. In such a system, thermal energy is transported by means of the latent heat of vaporization of the working fluid. The finned heating tube normally consists entirely or partially of metal or other conductive material, which is coated with a radiation-absorbing layer, which expediently has a low thermal radiation capability and a high absorption capacity (selective coating). Such materials can consist of a base metal which is first electroplated with nickel and then plated with black chrome, the thickness of the latter layer being of the order of magnitude of the wavelength of the incoming short-wave solar radiation.

Die reflektierende Fläche kann kanalförmige Form mit geschlossenen Enden, beispielsweise eine Halbzylinderform aufweisen, so dass das mit der Längsrippe versehene Heizrohr etwa 50 % der Fläche der Reflexionsöffnung bedeckt und mindestens eine Seite der Rippe oder Rippen mit der Mittelpunktslinie des an den Enden geschlossenen, kanalförmigen Reflektors zusammenfällt. Eine geeignete Reflexionsfläche kann aus Aluminium oder Silber bestehen. The reflecting surface can have a channel-like shape with closed ends, for example a semi-cylindrical shape, so that the heating tube provided with the longitudinal rib covers approximately 50% of the area of the reflection opening and at least one side of the rib or ribs with the center line of the channel-shaped reflector closed at the ends coincides. A suitable reflection surface can consist of aluminum or silver.

Derartige Elemente zum Auffangen von Sonnenstrahlung können beliebige Länge und Ausbildung haben und seitlich nebeneinander in Form einer parallel oder in Serie miteinander verbundenen Gruppe vorliegen; durch die Gruppe strömt das aufzuheizende Medium, und zwar durch Konvektion, Schwerkraft oder Pumpendruck. Such elements for collecting solar radiation can have any length and design and can be arranged side by side in the form of a group connected in parallel or in series; the medium to be heated flows through the group, namely by convection, gravity or pump pressure.

Verschiedene, bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sollen nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben werden, worin zeigen: Various preferred embodiments of the invention will now be described by way of example with reference to the drawing, in which:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erstes Element zum Auffangen von Strahlung; Figure 1 is a plan view of a first element for collecting radiation.

Fig. 2 einen Längsschnitt in der Linie A—A in Fig. 1; Fig. 2 is a longitudinal section on the line AA in Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt in der Linie B—B der Fig. 1; Figure 3 is a cross-section on the line BB of Figure 1;

Fig. 4 einen Querschnitt ähnlich demjenigen der Fig. 3, aber durch eine andere Ausführungsform; Fig. 4 is a cross section similar to that of Figure 3, but through another embodiment.

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zum Auffangen von Sonnenenergie, die aus zwei in Serie verbundenen Elementen besteht, und Fig. 5 is a plan view of a device for collecting solar energy, which consists of two elements connected in series, and

Fig. 6 einen Querschnitt in der Linie A—A in Fig. 5. FIG. 6 shows a cross section in the line AA in FIG. 5.

Das in Fig. 1 bis 3 dargestellte Element zum Auffangen von Sonnenstrahlung besitzt eine metallische, leitfähige Längsrippe (1) und ein damit verbundenes metallisches Heizrohr (2). Das Heizrohr und die Rippen sind so ausgebildet und geformt, dass sie etwa 50 % der Öffnung (3) des Halbzylinders (5) mit geschlossenen Enden und einer Reflexionsfläche (6) bedecken, die aus einer Aluminiumbeschichtung besteht. Ein Wärmeaustauscher (4) sitzt an einem Ende des Heizrohres und schafft einen Strömungsweg für ein Strömungsmedium wie Wasser, welches aufzuheizen ist. The element shown in FIGS. 1 to 3 for collecting solar radiation has a metallic, conductive longitudinal rib (1) and a metallic heating tube (2) connected to it. The heating tube and the fins are designed and shaped in such a way that they cover approximately 50% of the opening (3) of the half-cylinder (5) with closed ends and a reflection surface (6) which consists of an aluminum coating. A heat exchanger (4) sits at one end of the heating tube and creates a flow path for a flow medium such as water, which is to be heated.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, gestattet derjenige Bereich der Reflektoröffnung, der durch Heizrohr und Längsrippen nicht bedeckt ist, den Zutritt der Sonnenstrahlung zum Reflektor (5, 6). As shown in Fig. 3, that area of the reflector opening that is not covered by the heating tube and longitudinal ribs allows access of the solar radiation to the reflector (5, 6).

In Fig. 6 ist zu sehen, dass direkte und diffuse Sonnenstrahlung in die Elemente durch eine transparente Deckplatte (7) eintritt, wenn man die Elemente der Sonne aussetzt. Ein Teil dieser Energie trifft unmittelbar auf die Heizrohre und Rippen auf und wird durch die selektive Beschichtung absorbiert, während ein hoher Anteil der übrigen direkten und diffusen Strahlung auf diese Bauteile auftrifft, nachdem sie an der Fläche (6) reflektiert wurde. Die absorbierte Energie, die sich nun in Form von Wärmeenergie befindet, wird durch Wärmeleitung durch die Rippen und Rohrwandungen im Verdampfungsbereich der Arbeitsflüssigkeit des Heizrohres zugeführt, wonach die Wirkung des Heizrohres die Wärmeenergie zum Kondensator transportiert, welcher ein Teil des Wärmeaustauschers (4) ist, und derart wird Energie der Flüssigkeit zugeführt, die aufzuheizen ist. Der Energieverlust durch Wiederabstrahlung wird einerseits durch die selektive Beschichtung und andererseits durch die Isoliereigenschaften vermindert, welche durch die reflektierenden Flächen verbessert werden, die den Absorber umgeben. In Fig. 6 it can be seen that direct and diffuse solar radiation enters the elements through a transparent cover plate (7) when the elements are exposed to the sun. Some of this energy hits the heating pipes and fins directly and is absorbed by the selective coating, while a large proportion of the remaining direct and diffuse radiation hits these components after it has been reflected on the surface (6). The absorbed energy, which is now in the form of thermal energy, is supplied by heat conduction through the fins and tube walls in the evaporation area of the working fluid of the heating tube, after which the action of the heating tube transports the thermal energy to the condenser, which is part of the heat exchanger (4), and so energy is supplied to the liquid to be heated. The energy loss due to re-radiation is reduced on the one hand by the selective coating and on the other hand by the insulating properties, which are improved by the reflective surfaces which surround the absorber.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der zwei an den Enden geschlossene kanalförmige Reflektoren seitlich nebeneinander liegen. Bei dieser Ausführungsform haben die Reflektoren eine Öffnung, die derjenigen der ersten Ausführungsform äquivalent ist. Die Tiefe des Reflektors ist jedoch hierbei auf die Hälfte vermindert. Fig. 4 shows another embodiment in which two channel-shaped reflectors closed at the ends lie side by side. In this embodiment, the reflectors have an opening equivalent to that of the first embodiment. However, the depth of the reflector is reduced by half.

In Fig. 5 und 6 ist eine Anordnung aus zwei Sonnenenergie auffangenden Elementen gezeigt, die unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 3 bereits beschrieben wurden und seitlich nebeneinander liegen sowie von einem Wärmeisoliermaterial (8) umgeben und mit einer transparenten Deckplatte (7) bedeckt sind, die gegen die Sonnenstrahlen ausgerichtet ist. Wärmeaustauscher (4) an den Enden der Rohre (2) sind in Serie geschaltet und besitzen ein Flüssigkeits-Zufuhrrohr (9) und ein Flüssigkeits-Abflussrohr (10), die an den Wärmeaustauschern (4) angebracht sind. FIGS. 5 and 6 show an arrangement of two elements that collect solar energy, which have already been described with reference to FIGS. 1 to 3 and are located side by side and surrounded by a heat insulating material (8) and covered with a transparent cover plate (7) that is aligned against the sun's rays. Heat exchangers (4) at the ends of the pipes (2) are connected in series and have a liquid supply pipe (9) and a liquid drain pipe (10) which are attached to the heat exchangers (4).

Wenn das Rohr kein Heizrohr ist, so kann eine Anzahl von Empfängerelementen, wie vorstehend beschrieben ist, parallel zueinander durch ein gemeinsames Flüssigkeits-Zulaufrohr und ein gemeinsames Flüssigkeits-Ablaufrohr verbunden werden. Diese Rohre können ebenfalls mit mindestens einer Metallrippe und mindestens einer Reflexionsfläche versehen werden, so dass sie auf die gleiche Weise wie die einzelnen Sonnenenergie aufnehmenden Elemente arbeiten, welche sie miteinander verbinden. If the pipe is not a heating pipe, a number of receiver elements, as described above, can be connected in parallel to one another by a common liquid feed pipe and a common liquid drain pipe. These tubes can also be provided with at least one metal fin and at least one reflecting surface, so that they work in the same way as the individual solar energy-absorbing elements which connect them to one another.

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Obwohl in Fig. 4 und 6 die Rohre (2) und die zugehörigen Rippen ( 1 ) so gezeichnet sind, dass sie in einer gemeinsamen Ebene diametral zu den zugehörigen halbzylindrischen Reflektoren mit geschlossenen Enden liegen, kann es in manchen Fällen zweckmässiger sein, beispielsweise um eine Beschädigung der Reflektoren zu vermeiden, den Punkt des Elementes aus Rohr und Rippe, der dem Reflektor am nächsten liegt, von diesem einen gewissen Abstandzu geben. Unter Bezugnahme auf Fig. 4 können nun die Rippen demgemäss mit einem Winkel von etwa 10° gegen die diametrale Ebene der Reflektoren und in dieser Richtung geneigt sein, und bezüglich Fig. 6 kann das Rohr (2) mit der Rippe (1) auf beiden Seiten der Längsachse der gemeinsamen Rippe ( 1 ) in einem Winkel von etwa 10° gegen die diametrale Ebene der Reflektoren (6) geneigt sein. Although the tubes (2) and the associated ribs (1) are drawn in FIGS. 4 and 6 in such a way that they lie in a common plane diametrically to the associated semi-cylindrical reflectors with closed ends, in some cases it may be more appropriate, for example by to avoid damaging the reflectors, to give the point of the tube and fin element closest to the reflector a certain distance from it. With reference to FIG. 4, the ribs can accordingly be inclined at an angle of approximately 10 ° to the diametrical plane of the reflectors and in this direction, and with reference to FIG. 6, the tube (2) with the rib (1) on both Sides of the longitudinal axis of the common rib (1) must be inclined at an angle of approximately 10 ° to the diametrical plane of the reflectors (6).

Bisher wurde von halbzylindrischen und kanalförmigen Reflektoren mit geschlossenen Enden gesprochen. Es ist jedoch wichtig, dass die Form dieser an den Enden geschlossenen Kanäle derart gewählt wird, dass direkte und diffuse Strahlung, die in das System unter einem bestimmten Winkel eintritt, nicht in einer Linie fokussiert wird, sondern zu einem Band, dessen Breite ungefähr der Breite der Rippe oder Rippen entspricht, auf welche die reflektierte Strahlung auftreffen soll. Der Begriff «Kanal» mit geschlossenen Enden ist in diesem Sinne zu verstehen. So far, one spoke of semi-cylindrical and channel-shaped reflectors with closed ends. However, it is important that the shape of these channels closed at the ends is chosen such that direct and diffuse radiation entering the system at a certain angle is not focused in a line but in a band whose width is approximately that Corresponds to the width of the rib or ribs on which the reflected radiation is to strike. The term “channel” with closed ends is to be understood in this sense.

Der hauptsächliche Vorteil der vorliegenden Vorrichtung gegenüber anderen Vorrichtungen, bei denen ebene Platten und fokussierende Kollektoren benutzt werden, beruht auf der Tatsache, dass sie als Kombination dieser beiden Vorrichtungsarten zu betrachten ist, weil sie die kleinere Plattengrösse eines Absorbers und demgemäss niedrigere Wärmeverluste mit der Fokussierung eines Kollektors verbindet, wobei die Fähigkeit der Vorrichtung mit ebener Platte, diffuse und auch direkte Komponenten der Sonnenstrahlung zu absorbieren, beibehalten wird. Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung erhält man demgemäss eine höhere Energiedichte, welche die ausnutzbare Wärmeübertragung des Rippen-Rohr-Wärmetauschers erhöht und in Verbindung mit den niedrigeren Wärmeverlusten zu höheren Wirkungsgraden führt. The main advantage of the present device over other devices using flat plates and focusing collectors resides in the fact that it should be considered as a combination of these two types of device because it has the smaller plate size of an absorber and accordingly lower heat losses with the focusing of a collector, while maintaining the ability of the flat plate device to absorb diffuse and also direct components of solar radiation. With the device according to the invention, a higher energy density is accordingly obtained, which increases the usable heat transfer of the finned tube heat exchanger and, in conjunction with the lower heat losses, leads to higher degrees of efficiency.

Die Auslegung der Vorrichtung gestattet die Umlenkung sowohl direkter als auch diffuser Strahlung auf eine absorbierende Platte mit verminderter Grösse, was bei üblichen fokussie-renden Vorrichtungen nicht möglich ist, in Verbindung mit einem höheren Energiefluss in der Absorberplatte als bei den üblichen Kollektoren mit ebenen Platten. The design of the device allows both direct and diffuse radiation to be deflected onto an absorbing plate of reduced size, which is not possible with conventional focusing devices, in conjunction with a higher energy flow in the absorber plate than with the usual collectors with flat plates.

3 3rd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

M M

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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t

PATENT CLAIMS

1. Apparatus for collecting and converting solar energy into usable heat, characterized by at least one receiver element, which has a tube (2) with at least s a metallic longitudinal rib (1) and a channel (5) closed at the ends with a reflecting reflective inner surface (6 ), which is designed so that it reflects direct and diffuse radiation that does not strike the tube and the longitudinal fin (1) directly onto these parts, and by at least one heat exchanger (4) for converting the heat developed in the tube .

2. Device according to claim 1, characterized in

that the tube is a heating tube and the heat exchangers (4) are located at one end of the heating tube. 15

3. Device according to claim 1, characterized in that

that the tube is set up for inflow and outflow of a flow medium to be heated.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the channel (5) is semi-cylindrical, and that 20 the tube (2) and the rib (s) (1) cover practically half of the half-cylinder opening.

5. Device according to one of claims 1 to 3, characterized by two longitudinally adjacent, advantageously semi-cylindrical channels (5) with closed ends and reflection surfaces (6), said tube (2) along the seam line of the two reflection surfaces ( 6) or runs in the vicinity of the seam line and has two radially directed ribs (1), each covering approximately half of the opening (3) of one of the two reflection surfaces (6).

6. The device according to claim 5, characterized in that

that the tube (2) is arranged at the interface of the reflection surfaces (6) and the ribs (1) extend in the same plane.

7. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that two receiver elements are interconnected by a common metal rib (1) and each receiver element has an end-closed, channel-like, advantageously semi-cylindrical reflection surface (6), and that the two reflection surfaces ( 6) lie side by side and the common rib (1) covers their seam line symmetrically, such that the rib (1) practically covers half of the common opening (3) of the two reflection surfaces (6).

8. The device according to claim 5 or 7, characterized in that the tube or tubes (2) is outside the diametrical plane of the reflecting surface or surfaces (6), and that the ribs (1) with respect to the diametrical plane against the respective reflection surface (6) are inclined.

9. The device according to claim 8, characterized in

that the heat exchangers (4) are connected to one another in series at one end of the tubes (2).

10. The device according to one of claims 1 and 3 to 9, characterized by a plurality of receiver elements which are connected to one another by means of a common feed pipe (9) for the flow medium 55 and / or a common drain pipe (10), one or all of these pipes ( 2) has at least one metallic longitudinal rib and an associated reflection surface (6).

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