DE202005014831U1

DE202005014831U1 - Vakuum-Rohr-Solarkollektor

Info

Publication number: DE202005014831U1
Application number: DE202005014831U
Authority: DE
Original assignee: Narva Lichtquellen GmbH and Co KG
Current assignee: Narva Lichtquellen GmbH and Co KG
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2015-09-21

Abstract

Vakuum-Rohr-Solarkollektor für die Nutzung solarer Wärme, indem durch ein transparentes Hüllrohr solare Strahlung auf einen flächigen Absorber fällt, der eine selektive Beschichtung besitzt, die es erlaubt, die solare Energie aufzunehmen und an ein Wärmeausleitrohr, durch das eine Flüssigkeit fließt, die die Wärme aufnimmt und zu dem Verbraucher transportiert, wobei als Verbraucher Heizungsanlagen für Wasser, Raumheizungen, Kühlaggregate, Trinkwasser-Erzeugungsanlagen usw. in Frage kommen, wobei der Absorber zwar als strukturierte aber weitgehend ebene Fläche ausgebildet ist, die auf dem Wärmeausleitrohr durch Schweißen, Löten oder Pressen befestigt ist und das Wärmeausleitrohr über eine Glas-Metall-Verbindung den aus Isolationsgründen evakuierten Innenraum des Solarkollektors verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr aus einem speziell beschichteten Kalk-Natron-Glas besteht, dass die Glas-Metall-Verbindung aus nur einem metallischen Element besteht und kein Zwischenglas erforderlich ist, dass der Vakuumverschluss der Glas-Metall-Verbindung abgewandten Rohrseite mit einem Quetschfuß vakuumdicht verschlossen ist und dass die Absorberfläche mit dem Wärmeausleitrohr durch einteilige, aufrastbare Befestigungselemente im Hüllrohr fixiert...

Description

Die Erfindung betrifft einen Vakuum-Rohr-Solarkollektor für die Sammlung solarer Energie zur Erzeugung von Wärme, indem durch ein für Solarstrahlung transparentes Hüllrohr diese solare Strahlung auf eine Absorberfläche fällt, die sich innerhalb des Hüllrohres befindet, welche eine selektive Beschichtung besitzt, die die solare Energie in einem weiten Spektralbereich absorbieren kann, wobei die Energie als Wärme an ein Wärmeausleitrohr übertragen wird, wobei die Übertragung sowohl über ein Wärmerohr oder direkt über eine Flüssigkeit übertragen wird, welche die Wärme zu den Verbrauchern transportiert, wobei als Verbraucher Heizanlagen für Wasser, Raumheizung, Kühlaggregate, Trinkwassererzeugung und Prozesswärmebereitstellung in Frage kommen, wobei der Absorber beim Dewar-Typ beispielsweise in Patent DE 26 54 143 vom 30.11.1976 beschrieben, sich auf einem Innenrohr aus Glas befindet, dass mit dem Hüllrohr verschmolzen ist, wobei der Raum zwischen Hüllrohr und Innenrohr evakuiert ist, um eine gute thermische Isolierung zu erzielen. In einer weiteren Ausführungsvariante befindet sich innerhalb des evakuierten Hüllrohes ein häufig nicht zentrisch angeordnetes Wärmeausleitrohr, dass mit Absorbermaterial beschichtet ist oder aus einem die solare Energie absorbierenden Material besteht, wobei häufig Spiegel bzw. Verspiegelungen die solare Energie auf das Absorberrohr lenken, wie es beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 43 18 127 A1 vom 01.06.1993 beschrieben ist.
In einer weiteren Ausführungsform eines Vakuum-Rohr-Solarkollektors ist der Absorber, der sich auch im evakuierten Innenraum des Hüllrohres befindet, als eine zwar möglicherweise strukturierte aber weitgehend ebene Fläche ausgebildet, die mit einem Wärmeausleitrohr durch Schweißen, Löten oder Pressen thermisch verbunden ist, wobei das Wärmeausleitrohr über eine Glas-Metall-Verbindung, die den Innenraum des Hüllrohres an einem Ende vakuumdicht abschließt, den evakuierten Innenraum des Solarkollektors verlässt, wobei die Ausleitung der Wärme auch durch ein Wärmerohr erfol gen kann, was eine trockene Anbindung des anzuschließenden Systems erlauben würde.
Nachstehend wird nur auf den letzten beschriebenen Typ eines Rohr-Solarkollektors eingegangen, der beispielsweise in seiner Grundform im USA-Patent Nr. 3,227,153 vom 4. Januar 1966 beschrieben ist. In diesem Patent wird ein evakuiertes Glasrohr, in dem sich ein flacher Absorber mit einem Strömungskanal für die wärmeausleitende Flüssigkeit befindet, patentiert.
Charakteristisch für diesen Rohr-Solarkollektor ist, dass er, wenn er nicht wie gemäß USA-Patent Nr. 3,227,153 dargestellt, vollkommen aus Glas hergestellt wurde, eine vakuumdichte Glas-Metall-Verbindung zum Ausleiten der Wärmeenergie benötigt, da das Wärmeausleitrohr aus dem evakuierten Innenraum des Solarkollektors herausgeführt werden muss.
Stand der Technik, Glas-Metall-Verbindung
Bekannt sind nach „Werkstoffkunde der Hochvakuumtechnik", Berlin, Verlag Julius Springer, 1936 Glas-Metall-Verbindungen für Gläser mit sehr geringem Ausdehnungskoeffizienten, wie Quartz- oder Borosilikatgläser, Metalleinschmelzungen mit Zwischengläsern. An ein solches Glasrohr wird eine Reihe von Zwischengläsern mit jeweils zunehmenden Ausdehnungskoeffizienten angeschmolzen, bis das Metall unmittelbar angeschmolzen werden kann.
Nachteilig bei dieser Lösung sind die Kompliziertheit und die sehr hohen Aufwendungen für das Anschmelzen des Zwischenglases bzw. der Zwischengläser (Schachtelhalm), da ein solches Verfahren praktisch nicht automatisierungsfähig ist.
Bekannt ist auch das USA-Patent US 2005/0181925A1 vom 18. August 2005, bei dem das Ziel darin besteht, eine automatische Produktionstechnologie zu ermöglichen. Bei diesem Schutzrecht wird für zwei verschiedene Borosilikatgläser eine im Ausdehnungskoeffizienten entsprechende Metalllegierung angegeben, die einen Ausdehnungskoeffizienten von 5 E-6/K aufweist und mit der eine Rohranschmelzung möglich ist, wobei das Glasrohr mit einem Metallrohr vakuumdicht verschmolzen wird, indem das dünnwandige Metallrohr in den Rand des dickwandigen Glasrohres eintaucht.
Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass sie nicht für Kalk-Natron-Gläser geeignet ist und dass die Herstellung der Glas-Metall-Verbindung ein mehrstufiger Prozess ist, da das Metallrohr seinerseits über ein Verbindungsstück mit dem Wärmeausleitrohr vakuumdicht verbunden werden muss.
Bekannt sind nach „Technologie der Glasverschmelzungen" Leipzig 1961, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig KG so genannte Rohranschmelzungen von Metallrohren an Glasrohren. Gemeinsam ist diesen Rohranschmelzungen, dass das Metallrohr in den erhitzten Glasrand eintaucht bzw. einseitig angeschmolzen wird. Besteht eine größere Differenz in den Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Metall und dem Glas ist das Metall schneidenförmig auszuformen. Dicke der Metallschneide, Steigung der Schneide und Breite der Anschmelzungen hängen vom Durchmesser des vakuumdicht anzuschmelzenden Metallrohrs ab und sind in oben genannter Schrift für Kupferrohre angegeben.
Nachteilig bei der angegebenen Lösung ist die vergleichsweise aufwendige Schneidenvorbereitung und dass das axiale Eintauchen der Schneide für viele Glas-Metall-Verbindungen technologisch ungünstig ist, da es bei größeren Rohrdurchmessern nur unter höchsten Aufwendungen beherrscht wird und deshalb üblicherweise ein Glasteil, das die Durchmesserdifferenz ausgleicht, zwischengeschaltet wird.
Bekannt ist nach USA-Patent Nr. 4,231,353 vom 4. November 1980 ein das Hüllrohr umfassender rotationssymmetrischer Deckel, der so ausgeformt ist, dass das Hüllrohr in eine eingeprägte Rinne am äußern Rand eingreift, die mit einem anfänglich flüssigem Material, üblicherweise Bleiglaspulver, dass in der Rinne zum Schmelzen gebracht wird, eintaucht und dort erstarrt. Durch die Mitte des Deckels wird das Wärmeausleitrohr zum Fortleiten der Wärme geführt und mit dem Deckel vakuumdicht verbunden.
Nachteilig bei diesem Verfahren sind die erheblichen Prozesszeiten durch das erforderliche Aufschmelzen des Bleiglaspulvers und das komplizierte Handhaben von De ckel und Hüllrohr, so dass das vorgeschlagene Verfahren nur mit höchsten technischen Aufwendungen automatisierbar ist.
Bekannt sind auch Glas-Metall-Verbindungen nach „Werkstoffkunde der Hochvakuumtechnik", Berlin, Verlag Julius Springer, 1936. Auch hier sind die vakuumdicht anzuschmelzenden Rohre mit entsprechenden Schneiden ausgestattet, um unterschiedliche Dehnungen von Glas und Metall bei Temperaturveränderungen auszugleichen. Die Nachteile entsprechen den oben beschriebenen.
Stand der Technik Hüllrohr
Eine weitere entscheidende Komponente für die Qualität eines Vakuum-Rohr-Solarkollektors ist das Hüllrohr, dass weitgehend für die Solarstrahlung offen sein muss, damit die Absorberfläche den größten Teil des von der Sonne emittierten Lichts aufnehmen kann und diese solare Energie nicht schon im Hüllrohr absorbiert wird und damit der Energiegewinnung verlustig geht, wobei das Hüllrohr im hohen Maße hagelschlagfest sein und auch eine hohe chemische Beständigkeit aufweisen muss, um Korrosion des Hüllrohres zu verhindern, wobei darüber hinaus es erforderlich ist, dass das Hüllrohr thermischen Schwankungen widersteht. Die Erfindung betrifft auch das Verfahren zur Herstellung eines solchen Hüllrohrs.
Bekannt sind, Röhrenkollektoren bzw. Vakuum-Solarkollektoren in verschiedensten Bauarten und Ausführungsformen, wie beispielsweise das Schutzrecht US 3,227, 153 vom 4. Januar 1966 in dem speziell geformte Absorber sich innerhalb eines aus Glas gefertigten, transparenten und evakuiertem Hüllrohres, dass jedoch nicht näher charakterisiert ist, beschrieben sind.
In der Schrift DE 26 54 143 vom 30.11.1976 ist ein Röhrenkollektor vom Dewar-Typ beschrieben, der aus einem Hüllrohr besteht, das aus Glas hergestellt ist, und einem gläsernen Innenrohr, das mit einem Absorber, wie beispielsweise mit Schwarzchrom, beschichtet ist. Beide Rohre sind auf einer Seite miteinander verschmolzen. Der Raum zwischen den beiden Rohren ist evakuiert, um die Wärmeisolation zur Umgebung zu gewährleisten. Das Glas der Rohre ist nicht näher charakterisiert.
Das US Patent 4,231,353 vom 4. November 1980 beschreibt ein Vakuum-Solarkollektor-Rohr, bei dem sich innerhalb des transparenten und evakuierten Hüllrohres ein Wärmeausleitrohr aus Metall befindet, mit dem eine Absorberfläche verbunden ist. Der Innenraum des Hüllrohres ist evakuiert, um die thermische Isolation des Absorbers gegen die Umwelt zu gewährleisten. Das Glas des Hüllrohres ist nicht näher charakterisiert.
Nachteilig bei den Erfindungen US 3,227,153 , DE 2654 143 und US 4,231,353 ist, dass das Hüllglas nicht näher charakterisiert ist und damit nicht gesichert ist, das das Hüllrohr die oben aufgeführten Erfordernisse erfüllt.
Bekannt ist auch die Patentschrift DD 218 160 A1 vom 03.06.1983 in der ein Vakuum-Solarkollektor-Rohr vom Dewar-Typ beschrieben ist. In diesem Patent wird das Hüllrohr auf der Außenoberfläche mit einer nicht näher charakterisierten Antireflexschicht überschichtet.
Bekannt ist die Patentschrift DE 736411 vom 28. Mai 1939. In diesem Patent wird beschrieben, dass durch Aufbringen von porösen, dünnen Schichten, teilweise abwechselnd aus den Oxiden von Silizium oder Titan die Reflektion für bestimmte Wellenlängen praktisch verhindert wird. In den Ansprüchen wird das Verfahren zum Aufbringen der Schichten auf der Basis von wasserarmen, gelartigem Oxidhydrat beschrieben.
Bekannt ist auch die Patentschrift US 4,535,026 vom 29. Juni 1983 in der Borosilikat- und Kalk-Natron-Gläser mit Siliziumdioxid überschichtet werden um Antireflexionswirkung über einen breiten Bereich der Strahlung zu erzielen. Im Patent werden Anwendungen solcher Antireflexionsschichten von Siliziumdioxid für optische Linsen und Solarkollektoren ausdrücklich beansprucht. Beansprucht wird auch das Verfahren der Herstellung dieser Schicht. Die Siliziumdioxidschicht wird mittels einer Alkohol-Wasser-Suspension auf das Glas aufgebracht.
Nachteilig bei dieser Herstellungsmethode ist die Anwendung von Alkohol, der zu einem explosiven Dampf führen kann und damit die Notwendigkeit eines Explosionsschutzes entsteht.
Bekannt ist auch die Patentschrift DE 198 21 137 B4 vom 12.05.1998. In dieser Patentschrift, die einen speziellen Dewar-Typ-Kollektor schützt, wird in der Beschreibung festgehalten, dass das Hüllrohr vorzugsweise aus Glas hergestellt werden sollte. Dabei werden eisenarmes Kalk-Natronglas und eisenarmes Borosilikat-Glas bevorzugt.
Nachteilig bei Anwendung von Borosilikat-Glas sind die hohen technischen und energetischen Aufwendungen bei der Herstellung und Verarbeitung von Borosilikat-Glas. Daneben stellt auch die relativ große Gasdurchlässigkeit von Borosilikat-Glas für Gase mit kleinem Molekülradius wie Wasserstoff und Helium ein Problem für die Langzeitvakuumstabilität des Kollektorrohres dar, da die Gase auf Grund der relativ großen Gasdurchlässigkeit in den evakuierten Innenraum eindringen und die thermische Isolation verschlechtern (L. Holland „The properties of glass surfaces", 2. Edition, London 1966 und Jousten Wutz Handbuch Vakuumtechnik, 8. Auflage, 2004).
Nachteilig bei der Anwendung von Kalk-Natron-Glas ist seine geringe chemische Beständigkeit, die bei Kondensationsbedingungen zu Korrosionen und damit zu Minderungen der Leistung des Solarkollektors über längere Zeit führt. Darüber hinaus führt der hohe Ausdehnungskoeffizient von Kalk-Natron-Glas zu Glasspannungen unter bestimmten Bedingungen, die zur Zerstörung des Kollektors führen können.
Bekannt ist die Patentschrift DE 199 26051 A1 vom 08.06.1999, in der ein Solarkollektor beschrieben ist, der aus wenigstens einem für das Sonnenlicht durchlässigen äußerem Hüllelement und wenigstens einem innerhalb des Hüllelementes angeordnetem, das Sonnenlicht absorbierenden Absorberelement sowie am Sonnenkollektor angeordneten Anschluss und Dichteinrichtungen und das äußere Hüllelement aus wenigstens einem oberen und einem unteren Pressglaselement besteht. In der Beschreibung des Patentes wird auf die Möglichkeit verwiesen, vorzugsweise das obere Pressglaselement mit einer porösen, nicht näher beschriebenen Siliziumdioxidschicht, die durch ein Sol-Gel-Verfahren aufgebracht wird, zu entspiegeln.
Bekannt ist das Gebrauchsmuster DE 298 08 532 vom 12.05.1998 in dem beansprucht wird, dass das Hüllrohr an seiner Außenseite mit einer Antireflexionsschicht bzw. Entspiegelungsschicht versehen wird. Diese Entspiegelung erhöht die nutzbare Sonnenstrahlung von ca. 92 % bis auf ca. 96 – 97 %. In der Beschreibung wird ange merkt, dass die Antireflexionsschicht beispielsweise aus porösem Siliziumdioxid besteht und mit einem Sol-Gel-Verfahren aufgebracht wird.
Nachteilig bei dem in dem Patent DE 199 26051 und in dem Gebrauchsmustern DE 298 08 532 beschriebenen Schichtaufbringungsprozess ist, dass die Beschichtung des Glases durch ein solches Sol-Gel-Verfahren sehr aufwendig ist (C. J. Brinker, Sol-Gel Science, Academic Press, 1990). Besonders kritisch ist, dass bei der Beschichtung wegen der Verwendung von organischen Lösungs- bzw. Dispergiermitteln in der Beschichtungslösung hochexplosive Dämpfe entstehen, so dass die Beschichtungsanlagen für Ex-Schutz gebaut werden müssen.
Stand der Technik, Befestigungselement
Die Absorberfläche, die mit dem Wärmeausleitrohr durch Schweißen, Löten oder Pressen verbunden wurde, muss im Hüllrohr fixiert werden.
Erforderlich ist dafür ein Befestigungselement für einen Solarkollektor-Rohr-Absorber zum Zweck der Fixierung des Absorberbleches im Bereich des größten Durchmessers des Hüllrohres des Solarkollektors, wobei das Absorberblech wärmetechnisch und mechanisch mit dem Wärmeausleitrohr durch Lötung oder Schweißung und dieses seinerseits mittels Rohrverbindung mit dem Wärmeverbraucher verbunden ist, wobei das Befestigungselement aus federndem Material in Form von Draht oder Blech gefertigt ist und durch form- oder kraftschlüssige Verbindung mit dem Absorberblech verbunden ist, und die Fixierung des Absorberbleches dadurch erreicht wird, dass das Befestigungselement sich wenigstens dreimal, üblicherweise aber viermal oder mehrfach federnd, gegen die Innenwand des Hüllrohres abstützt und gleichzeitig eine form- oder kraftschlüssige Verbindung zu dem Absorberblech besteht, wobei zur Erreichung einer Fixierung des Absorberbleches auf der Längsachse des Hüllrohres des Solarkollektors je nach Länge des Vakuum-Rohr-Solarkollektors 1 bis 4 Einzelelemente erforderlich sein können.
Bekannt ist das Patent US 4,440,154 vom 25. Juni 1982 in dem ein Befestigungselement beansprucht wird, das den Absorber eines rohrförmigen Solarkollektors wendelartig umfasst, wobei die Enden des Befestigungselementes sich gegen die innere Ober fläche des Hüllkörpers abstützen. Darüber hinaus wird beschrieben, dass das wendelähnliche Befestigungselement aus Draht konstanter Stärke gefertigt ist und sich über den gesamten oder Teile des Absorbers erstreckt. In letzteren Fall werden mehrere Befestigungselemente zum Fixieren des Absorbers genutzt.
Bekannt sind auch die Patente JP 571 50 759 vom 17.September 1982 und JP 580 86 350 vom 23.Mai 1983, in denen das mit einem U-förmig gebogenem Wärmeausleitrohr verbundene Absorberblech durch ringförmige, das Absorberblech umfassende in sich gewellte Spangen aus Federdraht fixiert wird. Auch in Patent JP 581 53 050 vom 10. September 1983 wird der Absorber durch wendelähnliche Drähte, die den Absorber spiralförmig umfassen, im Hüllrohr fixiert.
Nachteilig bei den Patenten US 4,440,154 sowie JP 571 50 759 sowie JP 580 86 350 und JP 581 53 050 ist, dass alle Patente von recht komplizierten Drahtformen ausgehen, die in ihrer Herstellung komplizierte Form- und Schnittwerkzeuge erfordern und einen hohen Materialeinsatz erfordern.
Bekannt ist auch Patent JP 590 60 150 vom 6. April 1984. In diesem Patent wird das Absorberblech ringförmig von mehreren federnden Befestigungselementen aus federndem Metall umfasst, wobei die Durchmesser der ringförmigen und federnden Befestigungselemente anfänglich kleiner als der innere Durchmesser des Solarkollektors sind. Die Befestigung des Absorberbleches erfolgt durch Abhängungen. Die ringförmigen Befestigungselemente wurden unter Spannung zu Ringen verlötet und fixieren das Absorberblech gegen das Hüllrohr erst, wenn das Absorberrohr soweit erhitzt wurde, dass die Lötungen schmelzen, die Federn aufspringen und damit das Absorberblech in der Lage festhalten. Eine solche Anordnung wurde gewählt, um eine Beschädigung des Solarkollektors beim Einschieben der Absorberfläche zu verhindern.
Nachteilig bei der in Patent JP 590 60 150 beschriebenen Lösung ist, dass die Herstellung der Befestigungselemente ein komplizierter mehrstufiger Prozess ist:

– Schneiden der verschieden Blechstreifen
– Herstellung der Verbindung zwischen dem zu einem Ring zu formenden Streifen und dem Verbindungsstreifen zum Absorberblech
– Herstellen der Verbindung zwischen Verbindungsstreifen und Absorberblech
– Verlöten der Ringe

Bekannt ist auch Patent JP 590 95 339 vom 1. Juni 1984. In diesem Patent stützen sich federnde Bleche, die T-förmig mit den Absorberblechen verbunden sind, gegen den Hüllkolben ab. Ein Ende der T-förmigen Federn ist jeweils mit einem Kissen aus Kohlefasern versehen. Die Konstruktion dient der Verhinderung von Glasbeschädigungen im Falle von Hagelschlag in dem die Kissen als Dämpfung wirken.
Nachteilig beim Patent JP 590 95 339 ist auch hier der hohe mehrstufige Fertigungsaufwand in dem die T-förmige Verbindung aus den Blechstreifen hergestellt werden muss, von dem dann zusätzlich ein Ende mit einem Schockabsorberkissen aus Kohlefasern versehen wird. Auch hier ist ein aufwendiger Montageprozess erforderlich, um das Befestigungselement mit dem Absorberblech zu verbinden, da pro Längsabschnitt, der fixiert werden muss, zwei Verbindungselemente erforderlich sind.
Bekannt ist auch Patent DE 199 19 835 A1 vom 30. April 1999. Beansprucht wird in diesem Patent ein reversibles von der Temperatur abhängiger Befestigungselement, das vollständig oder teilweise aus einem Bimetall hergestellt wird. Mit diesem speziellen Befestigungselement wird bewirkt, dass im Falle, dass keine Wärme dem Kollektor entnommen wird und die Gefahr der Erreichung der Stagnationstemperatur des Absorbers besteht, dieser an das Hüllrohr geführt wird. Die Vakuumisolation geht in diesem Fall verloren und der Absorber kühlt ab.
Nachteilig beim Patent DE 199 19 835 A1 ist die komplizierte Konstruktion des Befestigungselementes, die viel Material in Spezialausführung (zum Beispiel Bimetall) erfordert und der hohe Montageaufwand.
Bekannt ist auch ein auf dem Markt existierendes Vakuum-Kollektor-Rohr, bei dem die erheblichen technischen und ökonomischen Aufwendungen der in den Patenten beschriebenen Lösungen dadurch gemindert wurden, dass zwei unterschiedlich gestaltete, aus Federblech gefertigte Befestigungselemente so ineinander rasten, dass zwischen ihnen das Absorberblech sich befindet und eine vierfache federnde Abstützung gegen das Hüllrohr die Fixierung des Absorberbleches ermöglicht.
Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass zwei Befestigungselemente verwendet werden müssen und dass das der Sonne zugewendete Befestigungselement den Absorber abdeckt und die Strahlung reflektiert.
Stand der Technik, Hüllrohrabschluss
In der konstruktiven und technologischen Gestaltung des Vakuum-Rohr-Solarkollektors ist das Problem des Verschlusses des nicht die Glas-Metall-Verbindung betreffenden Endes des Hüllrohres zu lösen. Dabei ist gleichzeitig eine Evakuierungsmöglichkeit für den Solarkollektor-Innenraum zu schaffen
Bekannt ist die auf dem Markt befindliche Lösung, bei der ein Glasrohrabschnitt durch thermische und mechanische Behandlung an seinem Rand so aufgeweitet wird, dass dieser mit dem Hüllkolben verschmolzen werden kann. Vor dem Verschmelzen des aufgeweiteten Glasrohrabschnittes wird in das andere Ende des Glasrohrabschnittes ein Pumprohr angeschmolzen, indem dieses andere Ende durch thermische Behandlung und gegebenenfalls mechanische Formung im Durchmesser so verringert wird, dass das Pumprohr, das im Durchmesser wesentlich kleiner als der Glasrohrabschnitt ist, an dieses angeschmolzen werden kann.
Nachteilig bei dieser Lösung ist, das aufwendige Verfahren zur Herstellung des Hüllrohrabschlusses mit Pumprohr, da spezielle Verschmelztechnologien angewandt werden müssen.
Der in den Schutzansprüchen angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, kostengünstige und leicht herzustellende Lösungen für nachfolgende Elemente des Vakuum-Rohr-Solarkollektors zu finden, im Einzelnen für:
1. Glas-Metall-Verbindung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein speziell geformtes Verbindungsteil 1, siehe 1, das aus einem Metall besteht, das den gleichen oder ei nen ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Glas des Hüllrohres 2 des Vakuum-Solarkollektors besitzt, mit Sicken 6, die vorzugsweise ringförmig ausgebildet sind und zur Aussteifung des Verbindungsteiles dienen, um dieses in die Lage zu versetzen, dem Luftdruck ohne Verformungen zu widerstehen, wobei das Verbindungsteil vakuumdicht mit dem Wärmeausleitrohr 3, das auch das Absorberblech 4 trägt, vorzugsweise durch Schweißung oder Lötung verbunden ist, in das Hüllrohr 2 eingeschoben wird, wobei das Glas des Hüllrohres über den Rand des metallischen Verbindungsteiles der Glas-Metall-Verbindung einige Millimeter ragt, so dass nach Erhitzung des Glases bis zur Erweichung dieses nach innen geformt werden kann und durch innere und äußere Formwerkzeuge das Glas des Hüllkolbens so an die äußere und innere Oberfläche des Randes des Verbindungsteiles gedrückt werden kann, dass eine vakuumdichte und mechanisch stabile Verschmelzung 5 entsteht.
2. Hüllrohr
Erfindungsgemäß werden die Nachteile, wie hoher Herstellungsaufwand für Borosilikat-Glas und aufwendiges, teilweise explosionsgefährdetes Beschichtungsverfahren, bei den bekannten Beschichtungsverfahren für Vakuum-Solarkollektoren dadurch vermieden, indem man kostengünstiges Kalk-Natron-Glas einsetzt und durch die Beschichtung mit Nanoteilchen so in seinen Eigenschaften verändert, dass die beschriebenen Nachteile des Kalk-Natron-Glases nicht wirksam werden. Erfindungsgemäß beschichtet man die Innenoberfläche wie auch die Außenoberfläche des Glasrohres mit einer porösen Schicht aus Metall- bzw. Nichtmetalloxid. Sollte es zweckdienlich sein, kann auch nur die Außenoberfläche oder die Innenoberfläche beschichtet werden. Diese Beschichtung verbessert die Antireflexions-Eigenschaften des Glases und darüber hinaus auch die hydrolytischen Eigenschaften des Hüllrohres, was heißt, dass das Glas erheblich korrosionsfester und bei Taueinwirkung nicht blind wird. Für diese Beschichtung werden bevorzugt Siliziumdioxid-Nanoteilchen verwendet und die geringen Beschichtungsaufwendungen werden dadurch erreicht, indem als Dispersionsmittel für die Silizium-Suspension bevorzugt Wasser verwendet und auf organische Lösungsmittel verzichtet wird. Durch diese Beschichtung der Glasoberflächen erhöht sich die Transmission der einfallenden Solarstrahlung von 92 auf 94 – 97 % und die Korrosionsfestigkeit des Glases erhöht sich deutlich.
3. Befestigungselement
Erfindungsgemäß werden die Nachteile der bekannten Lösungen, wie Anwendung von Spezialmaterialien, komplizierte Werkzeuge zum Herstellen der Befestigungselemente, aufwendige Montage und Abdeckung der Absorberfläche durch Befestigungselemente durch nachfolgende Gestaltung und Verfahrensweisen vermieden:

1. Nur ein Befestigungselement 5, gemäß 2, wird pro Fixierungsstelle benutzt.
2. Das Befestigungselement wird aus federndem Blech hergestellt, besteht aus einem Stück und besitzt in den beiden Einrastbereichen rinnenförmige Vertiefungen, die am Absorberblech einrasten.
3. Das Befestigungselement befindet sich auf der sonnenabgewandten Seite.
4. Das Befestigungselement wird in flache Ausschnitte im Rand des Absorberbleches eingerastet.
5. Das Befestigungselement besitzt Finger, die das Absorberblech oberhalb und unterhalb der Absorberfläche gegen das Hüllrohr abstützen.
6. Die aus dem Blech geschnittenen und geformten des Befestigungselementes sind so abgerundet, dass ein Zerkratzen des Hüllrohres beim Einschieben der Absorberfläche vermieden wird.

4.Hüllrohrabschluss
Erfindungsgemäß wird für die Herstellung des evakuierbaren Hüllrohrabschlusses ein so genannter „Teller", der auf einer Tellermaschine produziert wird, indem man ein Ende eines Glasrohres bis zur Verformbarkeit erhitzt und den Rand mit einem Werkzeug aufweitet. Danach wird der Teller vom Glasrohr abgesprengt und getempert. Der Teller wird anschließend auf eine Quetschfußmaschine übergeben. Mit dem Teller werden auch ein Pumprohr 7 und ein Drahtabschnitt 8 eingegeben. Die Maschine erhitzt den zylindrischen Teil des Quetschfußes bis zur Erweichung. Dann werden der Teller, ein Glasrohr, das als Pumprohr dient und Drahtabschnitt 8 so zusammengequetscht, dass ein Quetschfuß 6 entsteht. Durch Erhitzung und Druckluft wird das verquetschte Ende des Pumprohres wieder freigeblasen, so dass die Evakuierung des Hüllrohres über das Pumprohr erfolgen kann. Anschließend erfolgt das Tempern des Quetschfußes. An den Quetschfuß wird am Haltedraht ein Getterring 9 angeschweißt. Anschließend wird der komplette Quetschfuß in das Hüllrohr eingeführt und mit diesem verschweißt. Das überstehende Pumprohr 7 wird nach dem Evakuieren des Solarkollektors abgeschmolzen und danach mit einer Schutzkappe vor mechanischen Belastungen geschützt.
Ausführungsbeispiel
Ausgangspunkt für die Ausführung eines Vakuum-Rohr-Solarkollektors ist ein Kalk-Natron-Glas-Hüllrohr 2, gemäß 1, der Zusammensetzung:

SiO₂ 71,41 %

Al₂O₃ 2,20 %

Fe₂O₃ 0,03 %

TiO₂ 0,05 %

CaO 4,90 %

MgO 3,40 %

BaO 0,03 %

Na₂O 16,10 %

K₂O 1,50 %

SO₃ 0,30 %
Die Beschichtung des Hüllrohres erfolgt durch Tauchen und anschließendes langsames Herausziehen des Rohres in eine Beschichtungssuspension folgender Zusammensetzung:

SiO₂ 1,00%

Binder 0,03%

Netzmittel 0,0015%

Dispersionsmittel deionisiertes Wasser

Nach dem Tauchen wird das Hüllrohr langsam bei einer Geschwindigkeit von 0,016 m/s aus der Suspension gezogen, wobei sich die Beschichtungen der inneren und der äu ßeren Oberflächen des Hüllrohres ausbilden. Die entstandenen Beschichtungen werden luftgetrocknet und anschließend bei einer Temperatur von 450°C getempert. Parameter des Hüllrohrs:

Außendurchmesser	55 mm
Wandstärke	1,8 mm
Länge	2000 mm
Hüllrohrgewicht	1470 g
Entspiegelung bzw. Transmission	95,6 %.
Schichtdicke	150 nm
Größe der Siliziumdioxid-Nanoteilchen	12 nm

Das Hüllrohr widersteht einem Hagelschlagtest, bei dem eine Stahlkugel mit einer Masse von 150 g, aus einer Höhe von 400 mm auf das Rohr fällt.
Die Verbesserung der Korrosionseigenschaften des Glases wurde durch Messung der Leitfähigkeit eines Wassers, in das Proberohre unter definierten Bedingungen eingebracht wurden, nachgewiesen. Die Leitfähigkeitsabnahme betrug 50 %.
In das Hüllrohr 2 wird die Absorberfläche 4 mit Wärmeausleitrohr 3 und Verbindungsteil 1 für die Glas-Metall-Verbindung so eingeschoben, dass ein kleiner Glasüberstand verbleibt (siehe 1).
Als Ausgangsmaterial für das Verbindungsteil wurde nachstehende Legierung gewählt:
Der Ausdehnungskoeffizient des Verbindungsteils liegt bei dieser Legierungszusammensetzung im Bereich des Ausdehnungskoeffizienten des Glases.
Darüber hinaus besitzt das Material eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit, so dass die thermischen Belastungen der Verschmelzstelle der Glas-Metall-Verbindung relativ niedrig sind, auch wenn die Stagnationstemperatur erreicht ist.
Das Verbindungsteil wird aus Blech einer Stärke von ca. 0,2 mm tiefgezogen. Die später vom Glas umschlossene Kante des Verbindungsteiles wird, um Spannungen im Glas zu vermeiden abgerundet. Der Radius dieser Abrundung liegt bei 0,1 mm. Abhängig von der Art des späteren Verschmelzprozesses mit dem Hüllglas kann das Verbindungsteil in einem Glühofen voroxidiert werden. Nach diesen Vorbehandlungen wird das Verbindungsteil mit dem das Absorberblech tragenden Wärmeausleitrohr vakuumdicht, vorzugsweise durch Schweißung oder Lötung, verbunden.
Die drei einteiligen Befestigungselemente 5, 2, werden vor dem Einschieben aufgerastet. Nach dem Umlegen und Verschmelzen des Glasüberstandes mit der Glas-Metall-Verbindung wird das vorbereitete Gestell gemäß 3, das Pumprohr 7, Haltedraht 8 und Getterring 9 besitzt, in das Hüllrohr 2 eingeschmolzen. Nun erfolgt die Evakuierung unter gleichzeitigem Ausheizen, das Verschmelzen des Pumprohres und das Aktivieren des Getters durch induktive Erwärmung. Abschließend werden eine Schutzkappe 10 und eine Durchführung 11 gemäß 4 aufgesteckt.

Claims

Vakuum-Rohr-Solarkollektor für die Nutzung solarer Wärme, indem durch ein transparentes Hüllrohr solare Strahlung auf einen flächigen Absorber fällt, der eine selektive Beschichtung besitzt, die es erlaubt, die solare Energie aufzunehmen und an ein Wärmeausleitrohr, durch das eine Flüssigkeit fließt, die die Wärme aufnimmt und zu dem Verbraucher transportiert, wobei als Verbraucher Heizungsanlagen für Wasser, Raumheizungen, Kühlaggregate, Trinkwasser-Erzeugungsanlagen usw. in Frage kommen, wobei der Absorber zwar als strukturierte aber weitgehend ebene Fläche ausgebildet ist, die auf dem Wärmeausleitrohr durch Schweißen, Löten oder Pressen befestigt ist und das Wärmeausleitrohr über eine Glas-Metall-Verbindung den aus Isolationsgründen evakuierten Innenraum des Solarkollektors verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr aus einem speziell beschichteten Kalk-Natron-Glas besteht, dass die Glas-Metall-Verbindung aus nur einem metallischen Element besteht und kein Zwischenglas erforderlich ist, dass der Vakuumverschluss der Glas-Metall-Verbindung abgewandten Rohrseite mit einem Quetschfuß vakuumdicht verschlossen ist und dass die Absorberfläche mit dem Wärmeausleitrohr durch einteilige, aufrastbare Befestigungselemente im Hüllrohr fixiert wurde.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Kalk-Natron-Hüllrohr nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr mit einer oder mehreren Schichten aus beispielsweise Siliziumdioxid-Nanoteilchen bedeckt wird, die die Oberfläche des Kalk-Natron-Glases so verändern, dass eine Antireflexionswirkung an der inneren und an der äußeren Grenzfläche des Hüllrohres entsteht und die Korrosionsfestigkeit des Glases verbessert wird.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Kalk-Natron-Hüllrohr nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der aus Nanoteilchen bestehenden Schutzschichten des Hüllrohres zwischen 40 nm und 330 nm, vorzugsweise 150 nm, beträgt.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Kalk-Natron-Hüllrohr nach Ansprüchen 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass nur die äußere oder die innere Oberfläche des Hüllrohres mit der Schutzschicht versehen wird.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Kalk-Natron-Hüllrohr nach Ansprüchen 1 – 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht durch Tauchen der Hüllrohre in eine Suspension aus Siliziumdioxid in einem bestimmten Dispersionsmittel und anschließendem langsamen Herausziehen der Hüllrohre mit einer Geschwindigkeit von 0,005 m/s bis 0,08 m/s, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von 0,01 m/s bis 0,02 m/s, aus der Slliziumdioxid-Suspension gebildet wird.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Kalk-Natron-Hüllrohr nach Ansprüchen 1 – 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr nach der Beschichtung zuerst mit Luft getrocknet und anschließend bei einer Temperatur von 350 bis 600 °C, vorzugsweise bei einer Temperatur von 400 bis 450 °C, getempert wird.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Kalk-Natron-Hüllrohr nach Ansprüchen 1 – 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumdioxid-Suspension vorzugsweise aus Siliziumdioxid-Nanoteilchen in einem Dispersionsmittel aus Wasser oder organischen Flüssigkeiten, einem oder mehreren Bindemitteln, vorzugsweise Polymetacrylaten oder modifizierten Cellulosen und Netzmitteln, besteht.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Kalk-Natron-Hüllrohr nach Ansprüchen 1 – 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Silizium-Nanoteilchen eine Korngröße von 5 nm bis 50 nm, vorzugsweise 12 nm, besitzen.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Kalk-Natron-Hüllrohr nach Ansprüchen 1 – 8 dadurch gekennzeichnet, dass ein aus Metall gefertigtes rotationssymmetrisches Verbindungsteil, das vakuumtechnisch dicht mit dem das Absorberblech tragen de Wärmeausleitrohr durch Schweißen, Löten oder andere Verfahren verbunden ist, so in das aus Glas bestehende Hüllrohr eingeschoben wird, dass ein Glasüberstand von wenigen Millimetern gegenüber der Kante des Verbindungsteiles entsteht, der durch Erhitzen erweicht wird und danach so um die vorstehende Kante des Verbindungsteiles geformt, angedrückt und angeschmolzen wird, dass das Glas sowohl mit der inneren wie auch mit der äußeren Oberfläche der vorstehenden Kante des Verbindungsteiles verschmolzen ist, so dass eine dauerhafte vakuumdichte Verbindung zwischen dem Verbindungsteil und dem Hüllrohr entsteht.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Glas-Metall-Verbindung gemäß Ansprüchen 1–9 dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil aus einem Metall bzw. einer Metallverbindung besteht, die einen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der weitgehend identisch mit dem Ausdehnungskoeffizienten des verwendeten Glases, ist.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Glas-Metall-Verbindung gemäß Ansprüchen 1–10 dadurch gekennzeichnet, dass, falls das Hüllrohr aus einem Kalk-Natron-Glas mit einem Ausdehnungskoeffizienten von (9,8 ± 0,2) E-6/K hergestellt ist, das Verbindungsteil aus einer Legierung mit folgenden Bestandteilen hergestellt ist:
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Glas-Metall-Verbindung gemäß Ansprüchen 1 – 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Kante des Verbindungsteils, um die das Glas geformt und angeschmolzen wird, einen Radius von (0,05 – 0,2) mm, vorzugsweise 0,1 mm, aufweist, eine Blechstärke von (0,1 – 0,5) mm, vorzugsweise 0,1 mm besitzt und der Glasüberstand vor der Verschmelzung (2 – 8) mm, vorzugsweise 4,2 mm, beträgt.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Glas-Metall-Verbindung nach Ansprüchen 1 – 12 dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil vor dem Anschmelzen an das Hüllrohr einer thermischen Behandlung bei (800 ± 100 °C), vorzugsweise (800 ± 20 °C), unter Luft unterworfen wird, die einerseits eine Veränderung der Kristallstruktur des Deckels bewirkt und andererseits eine Oxidschicht herausbildet.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Glas-Metall-Verbindung nach Ansprüchen 1 – 13 dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil ringförmig um seine Symmetrieachse so verformt wird, dass die entstehende ringförmige Verformung das Verbindungsteil so versteift, dass des dem Luftdruck widersteht.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Glas-Metall-Verbindung nach Ansprüchen 1 – 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil aus einem weichen, verformbaren Metall, vorzugsweise Kupfer, besteht.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Glas-Metall-Verbindung nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass die vorstehende Blechkante des Verbindungsteils als Schneide ausgebildet wird.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Glas-Metall-Verbindung nach Ansprüchen 15 und 16 dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil ringförmig um seine Symmetrieachse so verformt wird, dass das Verbindungsteil durch die entstehende Sicke beziehungsweise durch die entstehenden Sicken so versteift wird, dass es dem Luftdruck widersteht.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Glas-Metall-Verbindung nach Ansprüchen 15 – 17 dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil die Distanz zwischen Wärmeausleitrohr und Hüllrohr so überbrückt, dass kein weiteres Teil zur Herstellung der Vakuumdichtheit erforderlich ist.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Befestigungselementen nach Ansprüchen 1 – 18 dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement der Solarkollektor-Rohr-Absorber für eine Fixierung des Absorberblechs auf der Längssachse des Hüllrohres aus nur einem Blechelement besteht, das vorzugsweise die nicht mit Absorbermaterial beschichtete Unterseite des Absorberblechs klammernd umfasst und dessen beide Enden in der Längsachse ein- oder mehrmals geteilt sind, so dass diese so verformt werden können, dass die Enden sich mehrmals gegen das Hüllrohr abstützen, wobei dies sowohl oberhalb der Absorberblechachse als auch unterhalb der Ebene des Absorberbleches erfolgt.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Befestigungselement nach Ansprüchen 1 – 19 dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement aus federnden Blechen aus Stahl, Bronze, Tombak oder anderen federnden Materialien gefertigt wird.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Befestigungselement nach Ansprüchen 1 – 20 dadurch gekennzeichnet, dass das Blech für das Befestigungselement aus einem Material besteht, dessen Federeigenschaften durch eine Temperaturbehandlung bis 400 °C aufgehoben werden kann.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Befestigungselement nach Ansprüchen 1 – 21 dadurch gekennzeichnet, dass die sich gegen die innere Glaswand abstützenden Enden des Befestigungselementes so durch Verformung gerundet werden, dass beim Einschieben des Absorberbleches in das Hüllrohr Kratzer minimiert werden.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Befestigungselement nach Ansprüchen 1 – 22 dadurch gekennzeichnet, dass das Element in Aussparungen des Absorberblechs eingreift und dadurch eine Fixierung des Befestigungselementes zum Zweck der Verhinderung des Verrutschens des Befestigungselementes beim Einschieben des Absorberbleches in das Hüllrohr erreicht wird.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit Befestigungselement nach Ansprüchen 1 – 23 dadurch gekennzeichnet, dass die fixierenden Aussparungen zur Aufnahme der Befestigungselement auf der Längsseite des Absorberblechs unterschiedlich lange nach der durch die Erwärmung speziell bei Erreichung der Stagnationstemperatur berechnete Aussparungen besitzen und dadurch Zerkratzungen auf der Innenseite des Hüllrohres vermieden werden.
Vakuum-Rohr-Solarkollektor mit einseitigem Quetschfußverschluss nach Ansprüchen 1 – 24 dadurch gekennzeichnet, dass der Quetschfuß eine Halterung für einen Getterring besitzt.