DE102004020850B4

DE102004020850B4 - Röhrenkollektor zur Absorption von Lichtenergie

Info

Publication number: DE102004020850B4
Application number: DE102004020850A
Authority: DE
Inventors: Maik Schedletzky
Original assignee: Schedletzky, Maik, Dr.
Current assignee: LEIPZIGER SOLARGESELLSCHAFT MBH, DE
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2024-04-29
Also published as: DE102004020850A1

Abstract

Röhrenkollektor zur Absorption von Lichtenergie, aufweisend:
wenigstens ein transparentes Hüllrohr (1) und wenigstens ein Absorberrohr (2, 25) im Innern des Hüllrohrs (1), wobei das Absorberrohr (2, 25) von einem Wärmeträgermedium undirektional (29) durchströmt wird und
wobei das Absorberrohr (2, 25) aus einem transparenten Material besteht und eine selektive Beschichtung (6) für eine verminderte Emission von Infrarotstrahlung aufweist, wobei das Absorberrohr (2, 25) zumindest im Bereich (5) des Zuflusses des Wärmeträgermediums frei von der selektiven Beschichtung ist und das Absorberrohr (2, 25) zumindest in diesem Bereich (5) mit einem Granulat (28) gefüllt ist, das zur Absorption und/oder Emission von Licht dient.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Röhrenkollektor entsprechend den Ansprüchen 1 bzw. 12. Ein derartiger Röhrenkollektor besteht aus wenigstens einem transparenten Hüllrohr und wenigstens einem Rohr im Inneren des Hüllrohrs mit einer gasdichten Verbindung untereinander. Man unterscheidet Heat-Pipe-Röhren – bei denen sich in der Kollektorröhre ein geschlossenes System befindet, das nur die Wärme nach außen an ein Wärmeträgermedium abgibt – von direkt vom Wärmeträgermedium durchströmten Röhren. Die direkte Durchströmung der Kollektorröhre kann dadurch erfolgen, dass in das Absorberrohr ein Wärmeleitblech eingebracht wird, das mit einem U-förmigen Rohr verbunden ist, in dem das Wärmeträgermedium die absorbierte Energie abführt. Bei einer vorteilhafteren Variante werden Wärmeübergangswiderstände vom Absorber auf das Wärmeträgermedium durch eine direkte Durchströmung des Absorberrohrs mit dem Wärmeträgermedium minimiert. Derartige Kollektorröhren sind aus der Veröffentlichung „Hochleistungskollektoren einer neuen Generation" in Sonnenenergie & Wärmetechnik 4/99, S. 26-30 sowie DE 198 21 137 A1 , DE 43 18 127 A1 und DE 100 33 240 C2 bekannt. Dabei befindet sich in einem transparenten Hüllrohr ein Absorberrohr, das von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird und die absorbierte Energie aus der Kollektorröhre abtransportiert. Das Absorberrohr ist im Hüllrohr exzentrisch und parallel zu dessen Längsachse angeordnet. Die der Sonne abgewandte Hälfte des Hüllrohrquerschnittes ist ganz oder teilweise verspiegelt und fokussiert die Strahlung auf den Absorber. Absorberrohr und Hüllrohr sind jeweils an einem Ende verschlossen und am anderen Ende miteinander verbunden, so dass ein Luft evakuierbares Gefäß – ähnlich einer Thermoskanne – entsteht. Zufluss und Abfluss des Wärmeträgermediums befinden sich am gleichen Ende der Kollektorröhre. Die vollständige Durchströmung des Absorberrohrs wird durch ein weiteres, im Absorberrohr befindliches Rohr gewährleistet, das zusammen mit dem Absorberrohr ein Koaxialrohr bildet. Das Wärmeträgermedium strömt auf diese Weise im innersten Rohr bis zum Rohrende und an dessen Außenseite, entlang des Absorberrohrs wieder zurück.
Da Zufluss des kalten und Abfluss des warmen Wärmeträgermediums nur durch die Wandung des innersten Rohres voneinander getrennt sind und im Gegenstrom zueinander laufen entsteht ein Wärmetauschereffekt, der einem hohen Temperaturgradienten zwischen Zu- und Abfluss entgegenwirkt. Zur Lösung dieses Problems wird in oben genanntem Artikel vorgeschlagen, mehrere Röhren seriell hintereinander zu schalten, so dass sich die Temperatur des Zuflusses und damit auch die des Abflusses von Röhre zu Röhre erhöht. Nachteilig wirkt sich dabei die Zunahme des Druckverlustes aus, da mit jeder seriell verschalteten Kollektorröhre die doppelte Rohrlänge (da Koaxialrohr) addiert werden muß und sich die Reibungsverluste durch den engeren Röhrenquerschnitt eines Koaxialrohrs gegenüber einem einfachen Rohr erhöhen.
In einer Ausführungsform von DE 198 21 137 A1 wird ein an beiden Seiten offenes inneres Rohr vorgeschlagen, bei dem das Wärmeträgermedium das Absorberrohr in einer Richtung durchströmen kann und sich ein drittes Rohr zur bidirektionalen Durchströmung erübrigt. Dabei muss jedoch auch das Hüllrohr offen bleiben, so dass kein dauerhaft isolierendes Hochvakuum möglich ist. Es wird davon ausgegangen, dass durch eine starre Verbindung aufgrund der Längenausdehnung des inneren Rohres bei hohen Betriebstemperaturen zu hohe Spannungen zwischen den Rohren auftreten. Es wird deshalb eine Verbindung mittels Glaslot vorgeschlagen, die einen Kompromiss zwischen ausreichender Flexibilität und ausreichender Dichtheit darstellt.
Bedingt durch die selektive Beschichtung des Absorberrohrs und das Hochvakuum von Kollektorröhren mit hervorragenden Isolationseigenschaften treten Stillstandstemperaturen über 300°C auf. Dies kann zu erheblichen Materialbelastungen des Kollektorsystems und zur Dampfbildung von flüssigen Wärmeträgermedien führen. Da Havarien nie zu 100% ausgeschlossen werden können, sind Schutzmechanismen wünschenswert, die Schäden infolge hoher Stillstandstemperaturen verhindern.
Der größte Ertrag eines Kollektors wird erzielt, wenn dieser lotrecht zur Sonne ausgerichtet ist. Bei den gattungsgemäßen Kollektorröhren mit teilweiser Verspiegelung des Hüllrohres kann es bei schräger Einstrahlung zur Beschattung des Absorberrohres kommen. In der Patentschrift DE 100 33 240 C2 wird dieses Problem dadurch gelöst, dass das Absorberrohr um einen Betrag x außerhalb der verspiegelten Hüllrohrhälfte angeordnet ist und somit durch die Verspiegelung weniger beschattet wird. Da sich das Absorberrohr auf diese Weise nicht mehr im Brennpunkt des Spiegels befindet, wird an das Absorberrohr eine Absorberfahne angebracht, die die Energie im Brennpunkt absorbiert und an das Absorberrohr überträgt. Nachteilig bei dieser Ausführung ist, dass gegenüber einem einfachen Absorberrohr die Absorberfahne zu einer Vergrößerung der Oberfläche und damit zu höheren Wärmeverlusten beiträgt. Eine solare Nachführung der Kollektoren würde Konstruktionen wie in DE 100 33 240 C2 überflüssig machen. Alle bekannten Röhrenkollektoren sind fest an einen Verteiler gekoppelt, der das Wärmeträgermedium den Röhren zu- und abführt. Aus diesem Grund müsste zur Realisierung einer solaren Nachführung der gesamte Kollektor mit Röhren, Röhrenhalterung, Verteiler und Gestell bewegt werden. Dies ist unökonomisch, da die Nachführungen für jeden einzelnen Kollektor sehr robust gegen widrige Witterungsverhältnisse ausgeführt sein müssen und daher teuer sind. Aufgrund der benötigten Bewegungsfreiheit ist eine derartige solare Nachführung beispielsweise an Fassaden oder auf schrägen Dächern auch kaum realisierbar.
DE 28 27 082 A1 betrifft einen Kollektor für Solarenergie, der eine Führung zum Fördern wärmeabsorbierender Flüssigkeit aufweist, die eine selektive schwarze Schicht auf ihrer Außenfläche trägt.
DE 199 19 835 A1 betrifft einen Sonnenkollektor mit einem Innenrohr und formvariablem Abstandshalter, wobei das Innenrohr mit einer schwarzen Absorptionsschicht versehen ist.
FR 2 395 468 betrifft einen Sonnenkollektor, der mit einem absorptionsverstärkenden Material versehen ist. Das absorptionsverstärkende Material ist alternativ entweder auf der gesamten Länge der Röhre oder lediglich auf der Wärmeabfluss-Seite (also jeweils rechts in den Figuren) eingebracht. Eine selektive Beschichtung für verminderte IR-Emission ist nicht offenbart.
JP 550 751 60 AA betrifft einen Sonnenkollektor mit selektiver Absorptionsschicht auf der Außenfläche eines Wärmeleitblechs.
DE 199 11 104 A1 betrifft eine Wärmesammeleinrichtung mit einer Reflektionsplattenanordnung und einer Wärmesammelröhre, wobei die Wärmesammelröhre exzentrisch zu einer umgebenden Glasröhre angeordnet ist.
DE 93 17 373 U1 betrifft eine Vorrichtung zur wahlweisen Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme und/oder Strom, bei der in einer Vakuumröhre seitlich ein Kollektorblech und zwei Spiegel angeordnet sind. Die Wärme wird über das Kollektorblech nach außen geführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Röhrenkollektor zu schaffen, welcher einen höheren solaren Ertrag als die eingangs beschriebenen Kollektoren aufweist und zugleich eine Temperaturregulierung ermöglicht. Diese Aufgaben werden durch einen Röhrenkollektor gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
Solarer Ertrag: Ein Kollektor, entsprechend Anspruch 1, ist je nach Beschaffenheit des Absorbers in der Lage, ein breites Spektrum des sichtbaren und des nicht sichtbaren Lichtes, wie zum Beispiel Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung), zu absorbieren. Deshalb ist als Energiequelle nicht nur die Sonne, sondern es sind auch andere Energiequellen, wie beispielsweise Abwärme, denkbar. Demnach kann die folgende Beschreibung zur Nutzung der Sonnenenergie auch weitgehend auf andere Energiequellen übertragen werden.
Der Ertrag eines Sonnenkollektors ist abhängig von der Strahlungsintensität der Sonne und dem Kollektorwirkungsgrad. Erfindungsgemäß wird die Strahlungsintensität auf die Absorberfläche durch eine solare Nachführung entsprechend des Tagesganges der Sonne und ein höherer Wirkungsgrad des Kollektors durch eine unidirektionale Durchströmung des Absorberrohrs in Summe mit den sich daraus ableitbaren Konsequenzen erreicht.
Die höchste Strahlungsintensität wird bei lotrecht auf den Absorber auftreffender Strahlung absorbiert. Da die Sonne in den Morgen- und Abendstunden schräg auf eine nach Süden ausgerichtete Kollektorfläche scheint, verringert sich die Bestrahlungsstärke, weil sich das Licht auf eine größere schräg zur Sonne ausgerichtete Fläche verteilt. Mit der Erfindung wird dieses Problem dadurch gelöst, dass die Röhren in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet sind und sich die Absorberflächen auf eine größere Kollektorfläche verteilen. Bei senkrechter Sonneneinstrahlung auf den Kollektor sind die Absorberflächen der Röhren parallel zur Kollektorebene ausgerichtet. Handelt es sich um Absorptionsrohre mit einer Sammeleinrichtung zur Konzentration des Lichtes, kann die Stellung der Röhre mit Sammeleinrichtung als Absorptionsebene betrachtet werden, bei der die höchste Strahlungsintensität auf den Absorber erreicht wird. Im Falle der oben erwähnten Veröffentlichungen ergibt sich die Absorptionsebene beispielsweise, wenn am Querschnitt der Röhre eine gedachte Linie durch die Spiegelenden gezogen wird (siehe 2). Mit zunehmendem Einstrahlungswinkel werden die einzelnen Röhren so um ihre Längsachse gedreht, dass sich die Absorptionsebenen der Röhren mit der Sonne mehr und mehr aus der Kollektorebene bewegen. Die Verspiegelung der Röhren wirft mit zunehmendem Einstrahlungswinkel einen immer größer werdenden Schatten, bis dieser auf die benachbarte Kollektorröhre trifft und sich auf diese Weise aus der Strahlungsrichtung der Sonne eine optisch geschlossene Absorberfläche bildet (siehe 3). Dabei hat jede einzelne Röhre eine optimale Ausrichtung zur Sonne und absorbiert, bezogen auf die Absorberfläche, mehr Licht als ohne Nachführung. Bei einem Einstrahlungswinkel von 70° können mit der beschriebenen Technologie noch 91% der direkten Strahlung absorbiert werden, während es ohne Nachführung nur 34% sind.
Wie bereits erwähnt, bleiben bei senkrechtem Lichteinfall (bezogen auf die Kollektorebene) die Zwischenräume der Röhren für die Lichtabsorption ungenutzt. Bei einem hohen Anteil direkter Strahlung kann es vorteilhaft sein, wenn diese Strahlung durch Spiegel auf die Absorber der Röhren reflektiert wird. Steht beispielsweise die Spiegelfläche des Hüllrohrs zur Absorberfläche der Röhren in einem Verhältnis von 2:1 und entspricht der Abstand zwischen den Kollektorröhren dem Durchmesser einer Kollektorröhre, erhöht sich der Konzentrationsfaktor der Lichtintensität um das Vierfache. Da die wärmeabstrahlende Absorberfläche gleichbleibt, erhöht sich durch die Lichtkonzentrierung der Wirkungsgrad des Kollektors. Entsprechend 4 hat der Spiegel eine rinnenförmige paraboloide Bauform, deren nähre Beschreibung anhand der Zeichnung zu 4 erfolgt.
Vorraussetzung zur solaren Nachführung der einzelnen Röhren ist die flexible Anbindung der Röhren an den Verteiler für das Wärmeträgermedium. In DE 198 21 137 A1 werden Varianten der Anbindung an den Verteiler beschrieben. Dabei sind die Rohrenden in den Verteiler eingebettet und mit diesem verklebt oder durch O-Ringe abgedichtet, so dass durch die exzentrische Anordnung der Absorberrohre im Hüllrohr ein Verdrehen und damit eine solare Nachführung der Kollektorröhren nicht möglich ist. Durch die räumliche Trennung von Zu- und Ablauf des Wärmeträgermediums besteht eine vorteilhafte erfindungsgemäße Lösung dieses Problems in der flexiblen Anbindung der Röhren an den Verteiler beispielsweise durch Schläuche. Diese sollten druckfest und hitzestabil und im Sinne einer längeren Lebensdauer vorteilhafterweise spiralförmig gewunden sein (5). Der Verteiler kann, wie in 1 dargestellt, aus einem einfachen Rohr mit Schraubenschlüssen zum Anschluß der Kollektorröhren und zur Verbindung der Kollektoren untereinander bestehen. Der Verteiler kann aus verschiedenen Materialien wie beispielsweise Metall, Kunststoff oder Glas bestehen. Durch die flexible Kopplung sind unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialien unproblematisch. Der Verteiler samt Ankopplungsvorrichtung kann in einem isolierten Gehäuse untergebracht werden, in dem sich auch eine Vorrichtung zur Arretierung und drehbaren Lagerung der Kollektorröhren befindet (siehe 5). Vorteilhafterweise sollten sich Zu- und Ablauf für das Wärmeträgermedium jeweils an einem Ende der Röhren befinden, da sich auf diese Weise die flexible Ankopplung an den Verteiler vereinfacht und eine unidirektionale Durchströmung der Kollektorröhren mit den in nachfolgenden Abschnitten näher erläuterten Vorteilen realisieren lässt. Bei einer unidirektionalen Durchströmung, bei der das innere Rohr an beiden Enden offen ist, besteht die besondere Herausforderung in einer festen gasdichten und druckstabilen Verbindung mit dem Hüllrohr, bei der eine lange Lebensdauer ohne Einbußen des Wirkungsgrades erreicht wird. In DE 198 21 137 A1 wird angestrebt, dieses Problem durch eine Verklebung beider Röhren über eine Metallkappe zu lösen. Eine Metall/Glas-Verbindung ist aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten problematisch und hat bei den eingangs erwähnten Heat-Pipe-Röhren, die ebenfalls eine solche Verbindung unterschiedlicher Materialien aufweisen, oft zu Undichtheiten geführt. Daraus resultieren ein Verlust des Hochvakuums und Leistungsminderung. In der eingangs erwähnten Veröffentlichung „Hochleistungskollektoren einer neuen Generation" wird dargelegt, welches Spaltmaß zwischen dem exzentrisch angeordneten Absorberrohr und der Wandung des Hüllrohrs hinsichtlich optischem Wirkungsgrad und Wärmeverlusten als Optimum anzusehen ist. Je nach Randbedingungen lag das Optimum des Spaltmaßes bei 1 bis 2mm. Ein größeres Spaltmaß führt zu geringeren Wärmeverlusten aber auch zu höheren optischen Verlusten, da sich das Absorberrohr im Verhältnis zur Reflexionsschicht in einer zunehmend schlechteren Position befindet. Soll, wie in DE 198 21 137 A1 beschrieben, die Verbindung von Absorber- und Hüllrohr – beide bestehen aus Glas – über eine Metallkappe erfolgen, kommt es bei hohen Temperaturunterschieden zwischen Hüllrohr und Absorberrohr infolge unterschiedlicher Längenausdehnung zu starken Materialbeanspruchungen. Bei einer Temperaturerhöhung um 300°C (Stillstandstemperatur z.B. im Falle einer Havarie), einem Ausdehnungskoeffizienten des Glases von 3,3 × 10^–6 K^–1 und einer üblichen Kollektorlänge von ca. 1,5m würde sich das Absorberrohr um rund 2mm verlängern. Mit dem erwähnten Spaltmaß von 1 bis 2mm und einer Längenänderung von ca. 1mm (bei Metall/Glas-Verbindung an beiden Rohrenden) kommt es durch die Scherbewegung der Rohre an der engsten Stelle zwischen Absorberrohr und Hüllrohr zu einer Verformung des Metalls um 30 bis 45°. Dies führt zu einer hohen Beanspruchung der Klebstellen und zu Materialermüdungen des verwendeten Metalls. Andere flexible Rohrverbindungen z.B. mittels Silikone oder O-Ringe, die die auftretenden Scherkräfte zwischen den Rohren besser kompensieren, haben den Nachteil, dass sie den hohen Druckunterschieden zwischen atmosphärischem Luftdruck und dem Hochvakuum (zwischen Absorberrohr und Hüllrohr) nicht standhalten oder nicht dauerhaft gasdicht sind. Dies würde zu Wärmeverlusten und vermindertem Wirkungsgrad führen. Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, dass die Röhren so fest miteinander verbunden werden, dass an den Verbindungsstellen eine relative Bewegung der Röhren untereinander durch auftretende Scherkräfte weitgehend verhindert wird. Bestehen Absorber- und Hüllrohr vorteilhafterweise aus Glas, können diese direkt miteinander verschmolzen werden. Aber auch andere Materialien wie Kunststoffe, Metalle oder Keramiken sind zum Aufbau eines Kollektors dieser Art möglich. Röhrenschäden infolge unterschiedlicher Längenausdehnung von Absorber- und Hüllrohr werden erfindungsgemäß durch spezielle Vorrichtungen zur Kompensation unterschiedlicher Längenausdehnung und/oder der Verhinderung zu hoher Absorbertemperaturen erreicht. Die Verhinderung zu hoher Absorbertemperaturen wird im folgenden Abschnitt „Temperaturregulierung" näher erläutert. Zur Kompensation unterschiedlicher Längenausdehnung sind mehrere Varianten möglich. Erfindungsgemäß besteht eine Variante in der Verformbarkeit des Absorberrohrs und/oder Hüllrohrs. Eine Kompensation unterschiedlicher Längenausdehnung kann durch unterschiedliche Durchmesser des Hüllrohrs bzw. des Absorberrohrs ermöglicht werden. Alternierende Durchmesser zumindest eines Teils von Hüll- und/oder Absorberrohr ergeben eine Gestalt, die ähnlich einem Faltenbalg gestreckt oder gestaucht werden kann (siehe 6a).
Ist zumindest ein Teil des Absorberrohrs spiralförmig, können Längenänderungen und die dadurch auftretenden Scherkräfte durch die Federwirkung der Spirale kompensiert werden (siehe 6b). Eine weitere Möglichkeit besteht dadurch, dass das Absorberrohr mit zunehmender Länge in eine zunehmende Bogenform übergeht (6c). Auch Mischformen zwischen den genannten Varianten sind möglich. Unterschiedliche Rohrgeometrien und/oder Materialstärken innerhalb einer Kollektorröhre können die Verformung der Rohre hinsichtlich Verformungswiderstand und Richtung günstig beeinflussen. Bei Röhrenkollektoren mit Licht konzentrierenden Einrichtungen kann die Verformung beispielsweise des Absorberrohrs vorteilhaft so erfolgen, dass mit zunehmender Verformung gleichzeitig eine Bewegung des Absorbers in einen Bereich mit niedrigerer Strahlungsintensität verbunden ist. Auf diese Weise reguliert sich die Längenausdehnung respektive Temperatur durch eine verminderte Energiezufuhr selbst. Neben der beschriebenen Längenkompensation und der Verhinderung zu hoher Temperaturen (Abschnitt „Temperaturregulierung") besteht eine dritte Möglichkeit zur Verhinderung von Röhrenschäden infolge unterschiedlicher Längenausdehnung in einer funktionalen Trennung von Absorption und Aufrechterhaltung des Vakuums. Dies wird dadurch erreicht, dass das innere Rohr nicht der Absorption, sondern nur der Aufrechterhaltung eines Vakuums dient. Das innere Rohr ist transparent, so dass das Licht das innere Rohr passiert und sich annähernd so wenig erwärmt wie das Hüllrohr. Auf diese Weise bilden Hüllrohr und inneres Rohr mit dem eingeschlossenen Vakuum eine äußerst effektive Isolierung. Da das innere Rohr an beiden Enden offen ist, kann in dieses ein werteres durchgängiges Rohr eingebracht wenden, das der Lichtabsorption dient (siehe 7). Zwischen Absorberrohr und innerem Rohr sollte vorteilhafterweise ein Spalt bestehen, um eine Wärmeübertragung vom Absorberrohr auf das innere Rohr zu minimieren. Um einen thermisch bedingten Luftstrom entlang des Spaltes zwischen den Röhren zu verhindern, kann der Spalt beispielsweise an den Enden abgedichtet sein. Eine solche Abdichtung kann beispielsweise durch O-Ringe oder flexible Verklebungen erfolgen, die eine freie Beweglichkeit des Absorberrohrs relativ zum inneren Rohr ermöglichen. Auch eine einseitige feste Verbindung durch Verkleben oder Verschmelzen ist möglich. Als zusätzlicher Schutz des inneren Rohres vor starker Erwärmung sind verschiedene Varianten denkbar. Durch die Abdichtung des Spaltes ist beispielsweise eine Befüllung mit schlecht wärmeleitenden Gasen sinnvoll. Eine vorteilhafte Variante besteht darin, dass im Normalbetrieb der Spalt zwischen Absorber- und innerem Rohr durch eine oder mehrere Dichtungen verschlossen ist. Im Havariefall, wenn zu hohe Temperaturen im Absorber auftreten, bewegen sich durch die Längenänderung des Absorberrohrs die Dichtungen, so dass sich der Spalt öffnet und der entstehende Luftstrom überschüssige Wärme aus dem Kollektorrohr abtransportiert.
Dem Nachteil dieser Kollektorvariante, dass eine zusätzliche Schicht – die Wandung des inneren Rohres – durchdrungen werden muss bevor das Licht auf den Absorber trifft, stehen verschiedene Vorteile gegenüber: Durch eine drehbare Lagerung des Absorberrohres im inneren Rohr, die gleichzeitig die Funktion der Abdichtung des Spaltes zwischen beiden Rohren übernehmen kann, ist eine solare Nachführung der Kollektorröhren möglich, bei dem das Absorberrohr fest mit dem Verteiler verbunden ist. Es wird nur die Vorrichtung zur Lichtbündelung, wie beispielsweise die Verspiegelung des Hüllrohrs oder einer Linse, um die Längsachse des Absorberrohrs bewegt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei defekten oder verschlissenen Röhrenkomponenten das betreffende Teil ausgetauscht wenden kann, ohne die gesamte Röhre wechseln zu müssen. Dieser Aspekt kann besonders dann zum Tragen kommen, wenn statt einer speziellen Kollektorflüssigkeit als Wärmeträgermedium in einem geschlossenen Kreislauf aggressivere Flüssigkeiten, wie beispielsweise Salzwasser, zur Erwärmung direkt durch die Kollektorröhren fließen. Ein eventuell auftretender Materialabrieb des Absorberrohrs durch die hindurchfließenden Substanzen kann durch Austausch des Absorberrohrs kostengünstig behoben werden. Durch die Trennung von Zu- und Abfluss wird neben einer solaren Nachführung der Kollektorröhren auch eine unidirektionale Durchströmung der Kollektorröhren erreicht. Dies bewirkt eine niedrigere mittlere Kollektortemperatur. Der Temperaturgradient zwischen mittlerer Kollektortemperatur und Umgebungstemperatur hat einen unmittelbaren Einfluss auf den Wirkungsgrad des Kollektors, denn höhere Temperaturgradienten bewirken größere Wärmeverluste. Ein Rechenbeispiel verdeutlicht den Unterschied zwischen herkömmlichen Sydney-Röhren, wie in DE 198 21 137 A1 , DE 43 18 127 A1 und DE 100 33 240 C2 beschriebenen, und der erfindungsgemäßen Hybrid-Röhre: Beide Varianten sollen 80°C heißes Medium erzeugen. Dazu muss der Sydney-Röhre wegen des beschriebenen Wärmetauscher-Effektes relativ heißes Medium (z.B. 60°C) aus einem Speicher zugeführt werden. Durch den Wärmetauschereffekt beträgt die Austrittstemperatur aus dem innersten Rohr 70°C. Die mittlere Kollektortemperatur beträgt demnach [(70 + 80)/2] ca. 75°C. Die Hybrid-Röhre kann beispielsweise mit einer Medientemperatur von 20°C gefüllt werden. Die mittlere Kollektortemperatur der Hybrid-Röhre ist dann mit 50°C 1/3 niedriger.
Temperaturregulierung: Die Temperatur der Vakuumröhre ergibt sich aus der Bilanz der Energiezu- und -abflüsse. Im Stagnationsfall – bei einer Havarie oder vollem Speicher – wird keine Energie mehr über das Wärmeträgermedium abgeführt und die Temperatur der Kollektorröhren nimmt zu. Erfindungsgemäß wird eine zu starke Erwärmung der Röhren auf zwei Wegen verhindert: Drosselung der Energiezufuhr und verstärkte Wärmeabgabe.
Eine verstärkte Wärmeabstrahlung wird durch eine Mischung aus selektiv und nicht selektiv beschichteten Abschnitten des Absorberrohrs erreicht. In einem Ausführungsbeispiel ist der nicht selektiv beschichtete Abschnitt des Absorberrohrs lichtdurchlässig. Im Inneren befindet sich ein lichtabsorbierendes Granulat, das vom Wärmeträgermedium umspült wird. Dieses Granulat ist in der Lage, Wärme als Infrarotstrahlung abzugeben. Im Normalbetrieb kann die Wärmeabstrahlung aufgrund niedriger Temperaturen des Wärmeträgermediums vernachlässigt werden. Das Wärmeträgermedium transportiert die Wärmeenergie vom Granulatabsorber zum Röhrenabschnitt mit selektiver Beschichtung, wo es sich weiter erwärmt und Wärmeverluste durch Infrarotstrahlung weitgehend unterbunden werden. Im Stagnationsfall wird die Wärme nicht mehr gerichtet vom Granulatabsorber zur selektiven Beschichtung transportiert. Das Wärmeträgermedium erwärmt sich im gesamten Absorberrohr und der Granulatabsorber gibt mit steigenden Temperaturen zunehmend mehr Infrarotstrahlung ab, so dass sich die Bilanz von Energiezu- und -abflüssen in Richtung Energieabflüsse verschiebt und niedrigere Stillstandstemperaturen erreicht werden.
Wird eine Solaranlage mit Speicherbetrieb konzipiert, kann mit der Erfindung einer Havarie, die durch einen vollen Speicher bedingt ist, vorgebeugt werden. Speicher werden vorteilhafterweise in Schichten beladen, so dass sich im Speicher kalte und warme Zonen befinden. Dies ermöglicht einen Vorrat von ausreichend erwärmten Wasser bei gleichzeitiger starker Abkühlung des Wärmeträgermediums. Auf diese Weise fließt dem Kollektor und insbesondere dem Granulatabsorber relativ kaltes Medium zu, das, wie beschrieben, erwärmt wird. Ist der Speicher nahezu gefüllt und erreicht in fast allen Schichten seine Maximaltemperatur, kann das Wärmeträgermedium nicht mehr so stark abgekühlt werden und erreicht den Granulatabsorber mit einer höheren Temperatur. Mit zunehmender Temperatur des Granulatabsorbers wird verstärkt Wärme abgestrahlt und der Anteil des Granulatabsorbers zur Erwärmung des Mediums nimmt ab. Auf diese Weise verlangsamt sich die weitere Beladung des Speichers mit Wärme und ein Stillstand der Anlage, verursacht durch einen vollen Speicher, kann verhindert oder verzögert werden.
Die Drosselung der Energiezufuhr erfolgt dadurch, dass die Röhren so aus der Sonne gedreht werden, dass das Absorberrohr ganz oder teilweise von der Verspiegelung des Hüllrohres verschattet wird oder sich außerhalb des Brennpunktes der Verspiegelung befindet. Dieser Vorgang wird als aktiver Schutzmechanismus bezeichnet.
Einen passiven Schutzmechanismus stellt die Bewegung des Absorberrohrs infolge einer Längenausdehnung dar, wie er bereits im vorhergehenden Abschnitt „Solarer Ertrag" näher erläutert wurde.
Neben einem höheren Wirkungsgrad und vorhandener passiver und aktiver Schutzmechanismen ergeben sich weitere Vorteile aus der Erfindung:
Das Wärmeträgermedium durchströmt das Absorberrohr in einer Richtung (unidirektional). Je nach Fließgeschwindigkeit des Wärmeträgermediums können zwischen Zu- und Ablauf hohe Temperaturgradienten erzeugt werden, was bei bidirektionaler Durchströmung in einem Koaxialrohr nicht möglich ist. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn ein Medium ohne Pufferspeicher von einer niedrigen auf eine hohe Temperatur erwärmt werden soll, wie dies beispielsweise bei solaren Meerwasserentsalzungsanlagen der Fall ist.
Die Erfindung sieht vor, dass vom Zufluss ausgehend ein mehr oder weniger großer Bereich des Absorberrohrs – je nach Anwendungszweck der Röhre – nicht selektiv beschichtet wird und lichtdurchlässig bleibt. Zur Lichtabsorption dient ein schwarzes Granulat, das sich im Inneren des Absorberrohrs befindet und vom Wärmeträgermedium umspült wird. Im Gegensatz zu den sonst üblichen zweidimensionalen Oberflächen entsteht mit dem Granulat ein dreidimensionaler Absorptionskörper, bei dem reflektierte Strahlung entweder unmittelbar vom Wärmeträgermedium absorbiert oder ins Innere des Absorptionskörpers reflektiert und absorbiert wird (siehe 8). Auf diese Weise entsteht ein Absorptionskörper mit hervorragenden Absorptionseigenschaften.
Im Zusammenhang mit den guten Absorptionseigenschaften des dreidimensionalen, nicht selektiven Absorptionskörpers besteht die Möglichkeit, die Röhren bei Schnee und Vereisung abzutauen. Dazu wird warmes Medium z.B. aus einem Speicher in die Röhren gepumpt, bis sie durch Energieabgabe vom Granulatabsorber teilweise enteist sind und genug Energie liefern, um sich selber weiter abzutauen.
Die verwendeten Materialien der erfindungsgemäßen Hybrid-Röhren – Glas und Granulat – sind weitgehend temperatur- und chemikalienbeständig. Aggressive Medien wie Salzwasser können deshalb direkt in den Hybrid-Röhren erwärmt werden. Dadurch entfällt ein separater Kollektorkreislauf, bei dem die Energie durch Wärmetauscher vom Wärmeträgermedium des Kollektorkreislaufes auf die eigentlich zu erwärmende Substanz übertragen werden muss. Es werden Kosten gespart und der Wirkungsgrad erhöht sich, da Energieverluste minimiert werden.
Die Temperatur des zu erwärmenden Mediums wird vorrangig durch dessen Aufenthaltsdauer in den Kollektorröhren in Abhängigkeit von Lichtintensität und anderen Faktoren bestimmt. Die Regulierung kann hierbei durch die Pumpleistung erfolgen. Unter bestimmten Verhältnissen (z.B. hohe Lichtintensität und niedrige Medientemperatur) kann es jedoch vorteilhaft sein, die Medientemperatur nicht nur durch die Fließgeschwindigkeit des Mediums, sondern auch durch die Beweglichkeit der Röhren zu regulieren. Dabei werden die Röhren soweit aus der Sonne gedreht, bis nur noch die notwendige Energiemenge den Absorber der Röhren erreicht. Ein zusätzlicher Mischer zur Temperaturregulierung kann auf diese Weise eingespart werden. Wird die Maximaltemperatur des Wärmeträgermediums (z.B. Wasser) so eingestellt, dass sie unter der Siedetemperatur liegt, wird die Dampfbildung verhindert und ein Anlagenbetrieb ohne Vordruck ist möglich.
Ein hoher Wirkungsgrad von Röhrenkollektoren wird durch die guten Isolationseigenschaften des Hochvakuums in den Röhren erreicht. Eine ideale Vakuumisolierung entsteht durch die Verminderung der Gasteilchen auf einen Druck der kleiner ist als 10^–3 mbar. Dieser Druck muss während der gesamten Lebensdauer der Röhren aufrechterhalten werden, da sonst eine Wärmeübertragung vom Absorberrohr über die Gasteilchen zum Hüllrohr erfolgt. Im Laufe der Zeit kommt es zur Gasentwicklung innerhalb der Röhre, die auf zwei Vorgängen beruht: Durch Ausgasen interner Röhrenkomponenten wie der Selektivbeschichtung und Gaspermeation, bei der Moleküle aus der äußeren Atmosphäre durch die Glasschicht ins Röhreninnere gelangen. Beide Aspekte können mit der Erfindung positiv beeinflusst werden. Da ein Teil des Absorberrohres aufgrund des Granulatabsorbers nicht selektiv beschichtet werden muss verringert sich die Fläche an der Ausgasungen auftreten können. Die Gaspermeation kann durch die Verminderung des Druckgefälles zwischen Überdruck (2-3 bar) des Wärmeübertragungsmediums im Absorberrohr und dem Vakuum (10^–3 mbar) zwischen Absorber- und Hüllrohr eingeschränkt werden. Der Überdruck des Wärmeträgermediums ist nicht notwendig, wenn durch die Temperaturregulierung eine Überschreitung des Siedepunktes des Wärmeübertragungsmediums erfindungsgemäß verhindert wird.
Ein Sonnenkollektor hat die Aufgabe, das Sonnenlicht optimal zu nutzen und das Wärmeträgermedium auf eine möglichst hohe Temperatur zu erwärmen. Die Geschwindigkeit, mit der dies erfolgt, ist neben dem Kollektorwirkungsgrad abhängig von der Lichtintensität und dem zu erwärmenden Wärmeträgervolumen im Absorber. Je kleiner das Volumen ist, desto schneller kann es erwärmt werden, was sich besonders bei wechselhafter Bewölkung bemerkbar macht. Einer Verringerung des Absorberrohrquerschnitts zur Volumenreduzierung sind Grenzen gesetzt, da dies eine schärfere Fokussierung direkter Strahlung voraussetzt. In der erfindungsgemäßen Hybrid-Technologie wird ein kleines Volumen durch die Verwendung des Granulatabsorbers erreicht. Je nach Körnung verringert sich das Volumen im Granulatabsorber um ca. 50% und bewirkt auf diese Weise eine geringere thermische Trägheit.
Durch die Bauweise der Hybrid-Röhren kann das System vollständig über die Verteiler der Kollektoren entleert werden, ohne die Kollektoren demontieren zu müssen.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
1a Längsschnitt durch ein Kollektorrohr mit unidirektional durchströmtem Absorberrohr sowie Verteiler und 1b einen Querschnitt durch ein Kollektorrohr,
2a und 2b Querschnitt eines Kollektorrohrs bei schräger und lotrechter Energieeinstrahlung auf die Absorptionsebene der Röhre,
3a und 3b Vergleich der Absorptionsflächen eines Kollektors mit und ohne Nachführung der Kollektorröhren,
4a bis 4c Wirkungsweise eines Parabolspiegels bei lotrechter und schräger Energieeinstrahlung,
5 flexible Anbindung einer Kollektorröhre an den Verteiler mit drehbarer Lagerung der Kollektorröhre,
6a bis 6c Vorrichtungen zur Kompensation unterschiedlicher Längenausdehnung des Absorberrohrs im Verhältnis zum Hüllrohr,
7a und 7b Längs- und Querschnitt einer Kollektorröhre mit innerem Rohr und Absorberrohr zur funktionalen Trennung von Vakuumrealisierung und Lichtabsorption,
8 Lichtabsorption im Granulatabsorber.
Im Folgenden werden die Figuren näher beschrieben:
Die in 1a als Längsschnitt und in 1b als Querschnitt dargestellte Röhre eines Kollektors zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung. Im transparenten Hüllrohr 1 mit einer Verspiegelung auf der Innenseite des Hüllrohrs 1 befindet sich eine Verspiegelung 4 zur Bündelung des Lichtes. Im Brennpunkt des Lichtes befindet sich das innere Rohr 2. Zwischen Hüllrohr 1 und innerem Rohr 2 besteht ein Vakuum 3 oder der Raum wird mit Gasen gefüllt, die eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen z.B. wie das Edelgas 3 Xenon. Als zweite Funktion kann das innere Rohr 2 die Funktion der Lichtabsorption übernehmen. Man kann das innere Rohr dann auch als Absorberrohr bezeichnen. Dazu ist das innere Rohr zumindest teilweise an der zum Vakuum 3 zeigenden Seite mit einer selektiven Beschichtung 6 versehen. Die selektive Beschichtung 6 hat die Aufgabe zu verhindern, dass Infrarotstrahlung abgegeben wird. Ist nur eine teilweise selektive Beschichtung 6 vorgesehen, wird der andere Teil des inneren Rohrs mit einem nichtselektiven Absorber 5 versehen. Dazu besteht das innere Rohr 2 vorzugsweise aus transparentem Material wie Glas und ist im nicht selektiv beschichteten Bereich 5 mit einem Granulat gefüllt, das der Lichtabsorption dient und vom Wärmeträgermedium 29 direkt umströmt wird. Das Wärmeträgermedium 29 durchströmt die Kollektorröhre unidirektional, vorzugsweise vom nicht selektiven Bereich 5 zur selektiven Beschichtung 6. Bei der Verwendung gleicher Materialien für inneres Rohr 2 und Hüllrohr 1 dehnt sich das innere Rohr 2 bei höherer Lichtabsorption starker aus als das Hüllrohr 2. Da Hüllrohr 1 und inneres Rohr 2 an beiden Enden fest miteinander verbunden sind, ist eine Vorrichtung 23 vorgesehen, die der Kompensation bzw. dem Spannungsabbau bei unterschiedlicher Längenausdehnung von Hüllrohr 1 und innerem Rohr 2 dient. Die Kollektorröhren sind an den Enden über die Anschlüsse 7 jeweils mit einem Verteiler zur Zu- und Abführung des Wärmeträgermediums 8 und 9 verbunden.
Die 2a und 2b zeigen den Unterschied zwischen schräger und lotrechter Einstrahlung 10 auf die Absorptionsebene 14 der Röhren. Die Absorptionsebene 14 entsteht durch die Verbindung der Enden der Verspiegelung 4 des Hüllrohrs 1 im Querschnitt der Röhren. Bei schrägem Einstrahlungswinkel auf die Absorptionsebene, wie in 2a dargestellt, verringert sich die Strahlungsintensität 12. Mit zunehmendem Einstrahlungswinkel bildet sich ein größer werdender Schatten 11, der das innere Rohr 2 beschattet. Mit einer solaren Nachführung der Kollektorröhre kann die Absorptionsebene 14 lotrecht zur Strahlungsrichtung der Energiequelle 10, wie in 2b dargestellt, ausgerichtet werden. Die Verspiegelung 4 des Hüllrohrs 1 wirft keinen Schatten auf das innere Rohr 2 und die Strahlungsintensität 13 kann zu 100% genutzt werden.
In den 3a bis 3d werden die Absorptionsflächen eines Kollektors mit Nachführung der Röhren (3c und 3d) sowie ohne Nachführung der Röhren (3a und 3b) miteinander verglichen. Die Energiequelle 10 strahlt schräg auf die Kollektorebene, die sich – im Querschnitt betrachtet – aus der in einer Reihe nebeneinander angeordneten Röhren ergibt. Aus 3a wird ersichtlich, dass die Absorptionsebenen der Röhren 14 schräg angestrahlt 10 werden und sich dabei Schatten 11 durch die Verspiegelung 4 der Hüllrohre 1 auf den inneren Rohren 2 bilden. In 3c wurden die Absorptionsebenen der Kollektorröhren 14 so aus der Kollektorebene gedreht und lotrecht zur Strahlungsquelle ausgerichtet, dass eine optisch geschlossene Absorptionsfläche 15 entsteht, bei der die Strahlungsintensität zu 100 % genutzt werden kann, wie aus 3d ersichtlich wird. Im Gegensatz dazu werden die Absorptionsebenen ohne Nachführung schräg angestrahlt und aus der Perspektive der Strahlungsquelle 10 betrachtet bildet jede Röhre einen separaten Absorptionsstreifen, so dass insgesamt, wie in 3b dargestellt, eine kleinere Absorptionsfläche gegenüber den nachgeführten Röhren wie in 3d resultiert. Die Absorptionsflächen bzw. Absorptionsebenen 14 sind in den 3b und 3d grau hinterlegt.
In den 4a bis 4c ist ein Spiegel zur Reflexion von direkter Strahlung dargestellt, der den Zwischenraum der Röhren zur Erhöhung der Lichtintensität auf den Absorber nutzt. Die Funktionsweise des Spiegels 16 wird anhand eines Querschnittes in 4a näher erläutert. Der Spiegel 16 hat die Form eines Parabolspiegels mit einem definierten Brennpunkt 17 bei senkrechter Einstrahlung 19. In Längsrichtung hat der Parabolspiegel 16 die Form einer Rinne, in der sich die Kollektorröhre mit Verspiegelung 4 des Hüllrohrs 1 und dem inneren Rohr 2 befindet. Aus dem Brennpunkt 17 entsteht auf diese Weise eine Brennlinie, die nicht dargestellt wurde. Das Kollektorrohr ist in der parabolförmigen Rinne so angeordnet, dass sich das innere Rohr 2 in der Brennlinie bzw. dem Brennpunkt 17 entsprechend 4a des Parabolspiegels 16 befindet. Ein Teil des Parabolspiegels 16, als gestrichelte Linie dargestellt, wurde so ausgeweitet, dass das Kollektorrohr mit einer Anordnung des inneren Rohrs 2 im Brennpunkt 17 möglich ist. Die Funktion des ausgeweiteten Parabolspiegelabschnittes zur Lichtbündelung wird durch die Verspiegelung 4 des Hüllrohrs 1 übernommen. Die Hüllrohrverspiegelung 4 hat statt einer paraboloiden eine runde Form. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Licht auch dann vollständig auf den Absorber des inneren Rohrs 2 reflektiert wird, wenn das Licht nicht genau senkrecht in den Parabolspiegel einstrahlt 18. 4b zeigt in einem Querschnitt die Anordnung mehrerer Parabolspiegel 16 in einem Kollektor mit mehreren Kollektorröhren mit den Hüllrohren 1. Das Licht 10 trifft senkrecht oder mit geringer Abweichung von der Senkrechten – bezogen auf den Kollektorquerschnitt – auf den Kollektor. Kollektorröhren 1 und Parabolspiegel 16 sind so angeordnet, dass bei seitlicher Einstrahlung 10, wie in 4c dargestellt, eine relative Bewegung zwischen Kollektorröhren 1 und Parabolspiegel 16 entsteht, bei der die Kollektorröhren 1 aus dem Parabolspiegel 16 heraustreten und nicht durch den Parabolspiegel 16 verschattet werden.
5 zeigt beispielhaft eine mögliche Variante der Ankopplung von Kollektorröhren mit einem Hüllrohr 1 und einem inneren Rohr 2 an einen Verteiler 9. Der Verteiler 9 befindet sich in einem isolierten Gehäuse 21. Die Isolierung 21 weist einen Hohlraum auf, in dem sich eine spiralförmig gewundene flexible Verbindung 20 zwischen den Anschlüssen 7 von Verteiler 9 und Kollektorrohr 2 frei bewegen kann. Die Kollektorröhre ist am Anschluss 7 des inneren Rohrs 2 im Gehäuse mit der Isolierung 21 drehbar gelagert 22 und kann auf diese Weise der Energiequelle nachgeführt werden.
In 6a bis 6c sind vorteilhafte Varianten zur Kompensation unterschiedlicher Längenausdehnung von Hüllrohr 1 und innerem Rohr 2 dargestellt, die an beiden Enden fest miteinander verbunden sind. Dabei dient das innere Rohr 2 der Lichtabsorption und der Erwärmung des Wärmeträgermediums. Die Erwärmung des Hüllrohrs 1 wird durch ein Vakuum bzw. eine Edelgasfüllung 3 minimiert. In 6a ist eine Vorrichtung zur Längenkompensation dargestellt, die ähnlich einem Faltenbalg 23a, alternierende Durchmesser des inneren Rohres 2 aufweist. In 6b ist eine Vorrichtungsvariante zur Längenkompensation 23b dargestellt, bei der das innere Rohr 2 spiralförmig gewunden ist, um die auftretenden Spannungen zwischen Hüllrohr 1 und innerem Rohr 2 bei unterschiedlicher Längenausdehnung aufzunehmen. 6c zeigt einen Längs- und einen Querschnitt einer Kollektorröhre, bei der die Enden des Hüllrohrs 1 und des inneren Rohrs 2 fest miteinander verbunden sind. Zwischen Hüllrohr 1 und innerem Rohr 2, das zur Absorption von Lichtenergie dient, befindet sich ein Vakuum bzw. eine Füllung mit einem schlecht wärmeleitenden Gas 3, wie beispielsweise Xenon, zur Vermeidung von Konvektionswärmeverlusten. Ohne Lichteinstrahlung ist das innere Rohr 2 kalt und befindet sich im Bereich der stärksten Lichtbündelung 24 des Spiegels 4. Bei Lichtabsorption durch das innere Rohr 2 und ausreichender Wärmeabfuhr über das im inneren Rohr 2 strömende Wärmeträgermedium dehnt sich das innere Rohr 2 gegenüber dem Hüllrohr 1 nur wenig aus und bleibt im Bereich der stärksten Lichtbündelung durch den Spiegel 4. Wird zu wenig Energie über das Wärmeträgermedium abtransportiert, erwärmt sich das innere Rohr 2 starker und dehnt sich gegenüber dem Hüllrohr 1 entsprechend starker aus. Die Ausdehnung des inneren Rohres 2 wird durch eine bogenförmige Verformung des inneren Rohrs 23c erreicht. Dabei bewegt sich das innere Rohr 2 in Pfeilrichtung aus dem Bereich der stärksten Lichtbündelung 24 und kompensiert eine unzureichende Wärmeabfuhr durch eine niedrigere Einstrahlungsintensität auf den Absorber des inneren Rohrs 2.
7a zeigt einen Längs- und 7b einen Querschnitt einer Kollektorröhre bestehend aus einem Hüllrohr 1, das auf der Innenseite teilweise verspiegelt 4 ist, und einem inneren Rohr 2, das an den Enden fest mit dem Hüllrohr 1 verbunden ist. Zwischen Hüllrohr 1 und innerem Rohr 2 besteht ein Vakuum oder der Raum ist mit einem schlecht Wärme leitenden Gas 3 gefüllt. Das innere Rohr 2 besteht aus einem transparenten Material, so dass es sich durch Lichteinstrahlung ähnlich stark erwärmt und in seiner Länge ausdehnt wie das Hüllrohr 1. Zur Lichtabsorption befindet sich innerhalb des inneren Rohrs 2 ein weiteres Rohr 25, das der Lichtabsorption dient und im Weiteren als Absorberrohr bezeichnet wird. Das Absorberrohr 25 ist so im inneren Rohr 2 arretiert 26, dass der Luftspalt zwischen innerem Rohr 2 und Absorberrohr 25 abgedichtet werden kann. Die Arretierung 26 kann auch in der Art erfolgen, dass das Absorberrohr 25 relativ zum inneren Rohr 2 in seiner Längsachse drehbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, das Hüllrohr 1 mit seiner Verspiegelung 4 so um das Absorberrohr 25 zu drehen, dass das Licht optimal auf das Absorberrohr 25 gebündelt wird.
Zur Absorption dient eine selektive Beschichtung 6 und/oder eine nicht selektive Beschichtung bzw. ein Granulatabsorber 5. Im Absorberrohr 25 strömt ein Wärmeträgermedium, das der Wärmeabfuhr des Absorberrohrs dient. Vorteilhafterweise kann die Arretierung 26 des Absorberrohrs 25 so ausgeführt sein, dass die Dichtung des Luftspaltes zwischen innerem Rohr 2 und Absorberrohr 25 in Abhängigkeit von der Temperatur und Längenausdehnung des Absorberrohrs 25 geöffnet oder geschlossen wird. Im Falle einer unzureichenden Wärmeabfuhr des Absorberrohrs 25 dehnt sich dieses durch die Erwärmung stärker aus als das innere Rohr 2, so dass die Dichtung den Spalt zwischen innerem Rohr 2 und Absorberohr 25 öffnet. Erfolgt die Öffnung des Spaltes an beiden Enden der Kollektorröhre entsteht ein Luftstrom, angetrieben durch die Thermik der erwärmten Luft im Spalt zwischen den Röhren 2 und 25, und es kann auf diese Weise Wärme vom Absorberrohr abgeführt werden.
8 zeigt den Aufbau und die Wirkungsweise des Granulatabsorbers. In einem transparenten Rohr 27 befinden sich Granulatkörner 28, die von einem Wärmeträgermedium 29 umströmt werden. Ein Teil der Strahlung wird direkt vom Wärmeträgermedium absorbiert. Die restliche Strahlung trifft auf die Granulatkörner 28 und wird dort entweder absorbiert oder reflektiert. Der reflektierte Teil der Strahlung wird entweder vom Wärmeträgermedium 29 absorbiert oder trifft erneut auf ein Granulatkorn 28, so dass der größte Teil der Strahlung entweder direkt oder nach Reflexion ins Innere des dreidimensionalen Granulatabsorbers 28 absorbiert wird.

1: Hüllrohr
2: Inneres Rohr
3: Vakuum bzw. Edelgasfüllung
4: Verspiegelung
5: Granulatabsorber
6: Selektive Beschichtung
7: Anschluß für Verbindung zwischen Verteiler und Kollektorröhre
8: Vorlauf-Verteiler
9: Rücklauf-Verteiler
10: Strahlungsrichtung der Energiequelle
11: Verschattung durch Verspiegelung
12: Minderung der Strahlungsintensität auf die Absorptionsebene bei schräger Einstrahlung
13: 100% Strahlungsintensität bei lotrechter Einstrahlung auf die Absorptionsebene
14: Absorptionsebene der Kollektorröhre
15: Optisch geschlossener Absorber
16: Parabolspiegel
17: Brennpunkt des Parabolspiegels
18: Reflexion bei geringer Abweichung von senkrechter Einstrahlung
19: Reflexion bei senkrechter Einstrahlung
20: Flexible Verbindung zwischen Kollektorröhre und Verteiler
21: Isolierung
22: Drehbare Lagerung der Kollektorröhre
23: Vorrichtung zur Kompensation der Längenausdehnung
23a: Faltenbalgähnliche Vorrichtung zur Längenkompensation
23b: Spiralförmige Vorrichtung zur Längenkompensation
23c: Bogenförmige Vorrichtung zur Längenkompensation
24: Brennpunkt der Hüllrohrverspiegelung
25: Absorberrohr im inneren Rohr
26: Arretierung und Dichtung zwischen Absorberrohr und innerem Rohr
27: Innenseite des Absorberrohrs
28: Granulatkörner
29: Strömung des Wärmeträgermediums

Claims

Röhrenkollektor zur Absorption von Lichtenergie, aufweisend: wenigstens ein transparentes Hüllrohr (1) und wenigstens ein Absorberrohr (2, 25) im Innern des Hüllrohrs (1), wobei das Absorberrohr (2, 25) von einem Wärmeträgermedium undirektional (29) durchströmt wird und wobei das Absorberrohr (2, 25) aus einem transparenten Material besteht und eine selektive Beschichtung (6) für eine verminderte Emission von Infrarotstrahlung aufweist, wobei das Absorberrohr (2, 25) zumindest im Bereich (5) des Zuflusses des Wärmeträgermediums frei von der selektiven Beschichtung ist und das Absorberrohr (2, 25) zumindest in diesem Bereich (5) mit einem Granulat (28) gefüllt ist, das zur Absorption und/oder Emission von Licht dient.
Röhrenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorberrohr (2, 25) und/oder Hüllrohr (1) mit einer Vorrichtung (23) versehen ist, die der Kompensation unterschiedlicher Längenausdehnung des Absorberrohrs (2, 25) im Verhältnis zum Hüllrohr (1) dient.
Röhrenkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation unterschiedlicher Längenausdehnung durch eine Verformung des Absorberrohrs (2, 25) und/oder des Hüllrohrs (1) erfolgt.
Röhrenkollektor nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Absorberrohrs (23a) und/oder des Hüllrohrs (1) variiert.
Röhrenkollektor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung des Absorberrohrs (2, 25) dadurch ermöglicht wird, dass zumindest ein Teil des Absorberrohrs (2, 25) in Form einer Spirale (23b) ausgebildet ist.
Röhrenkollektor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenausdehnung des Absorberrohrs (2, 25) durch eine bogenförmige Gestalt (23c) ausgleichbar ist.
Röhrenkollektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsgeometrie des Absorberrohrs (2, 25) und/oder des Hüllrohrs (1) innerhalb einer Kollektorröhre variiert.
Röhrenkollektor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstärke des Absorberrohrs (2, 25) und/oder des Hüllrohrs (1) innerhalb einer Kollektorröhre variiert.
Röhrenkollektor nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung des Absorberrohrs (2, 25) bei Längenausdehnung zumindest teilweise zu einer Bewegung des Hüllrohrs (1) aus dem Bereich der höchsten Lichtintensität führt (24).
Röhrenkollektor nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (1) und das Absorberrohr (2) an beiden Enden starr und gasdicht miteinander verbunden sind.
Röhrenkollektor nach Anspruch 1, weiter aufweisend: ein inneres Rohr (2) im Inneren des Hüllrohrs (1), wobei sich das Absorberrohr (25) innerhalb des inneren Rohrs (2) befindet und in der Längenausdehnung frei beweglich ist.
Röhrenkollektor zur Absorption von Lichtenergie von einer Lichtquelle, aufweisend: wenigstens ein transparentes Hüllrohr (1) und wenigstens ein Rohr (2), welches im Innern des Hüllrohrs (1) koaxial zur Längsachse des Hüllrohrs (1) angeordnet ist, wobei das innere Rohr (2) von einem Wärmeträgermedium undirektional (29) durchströmt wird und das Hüllrohr (1) eine der Lichtbündelung dienende Vorrichtung (16) aufweist und das innere Rohr (2, 25) mit einem Verteiler (8, 9) für das Wärmeträgermedium verbunden ist, wobei das Hüllrohr (1) und das innere Rohr (2) zumindest teilweise in ihrer Längsachse drehbar gelagert (22) sind.
Röhrenkollektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Rohr (2) durch eine flexible Verbindung (20) mit dem Verteiler (8, 9) verbunden ist.
Röhrenkollektor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Lichtbündelung dienende Einrichtung (4) vorhanden ist, die um die Längsachse des Hüllrohres (1) drehbar ist.
Röhrenkollektor nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (1) und das innere Rohr (2) der Lichtquelle nachgeführt werden können.
Röhrenkollektor nach einem der Ansprüche 12 bis 15, aufweisend mehrere Hüllrohre (1), die miteinander gekoppelt werden können.
Röhrenkollektor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest mehrere Hüllrohre (1) mit einem Stellglied parallel bewegbar sind.
Röhrenkollektor nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung vorhanden ist, um das innere Rohr (2) von der optimalen Ausrichtung zur Energiequelle abzubringen.
Röhrenkollektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Inneren des inneren Rohres (2) ein weiteres Rohr (25) befindet, welches der Absorption von Lichtenergie dient und relativ zum inneren Rohr (2) drehbar gelagert ist, derart, dass das Hüllrohr (1) mit der Lichtbündelungsvorrichtung so um das weitere Rohr (25) drehbar ist, dass die Lichtenergie optimal auf das weitere Rohr (25) gebündelt wird.
Röhrenkollektor nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die der Lichtbündelung dienende Vorrichtung (16) als Paraboloidspiegel ausgestaltet ist, wobei ein Teil des Paraboloidspiegels so ausgeweitet ist, dass sich das innere Rohr (2) in der Brennlinie befindet.
Röhrenkollektor nach einem Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion des ausgeweiteten Teils des Paraboloidspiegels durch eine Verspiegelung (4) des Hüllrohrs (1) übernommen wird.
Röhrenkollektor gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Verschattung eine Relativbewegung zwischen Hüllrohr (1) und innerem Rohr (2) und Paraboloidspiegel stattfinden kann, bei der Hüllrohr (1) und inneres Rohr (2) aus dem Paraboloidspiegel heraustreten.