DE202009003221U1

DE202009003221U1 - Solarthermisches Absorberrohr mittlerer Leistung

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Publication number: DE202009003221U1
Application number: DE202009003221U
Authority: DE
Original assignee: Narva Lichtquellen GmbH and Co KG
Current assignee: Narva Lichtquellen GmbH and Co KG
Priority date: 2009-03-07
Filing date: 2009-03-07
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2019-03-08

Abstract

Solarthermisches Absorberrohr mittlerer Leistung zur Absorption solarer Strahlung mit dem Ziel der Wärmeerzeugung, das üblicherweise fest mit einem die solare Strahlung konzentrierenden Spiegel verbunden ist und der Sonne nachgeführt wird, bestehend aus einem transparenten, evakuierten Schutzrohr aus Glas, in dem sich eine oder mehrere Absorbervorrichtungen befinden, deren Oberflächen sich zumindest teilweise auf einer Bahn befinden, die angenähert radial um den Focus des Konzentrator-Spiegels sich erstrecken, wobei auf Grund einer geeigneten selektiven Beschichtung die Oberflächen der Absorbervorrichtung in sehr hohem Maße die solare Strahlung absorbieren und die Absorbervorrichtung so gestaltet ist, dass eine die erzeugte Wärme abführende Wärmeträgerflüssigkeit über ein Wärmeträgerrohr zugeführt bzw. wieder abgeleitet werden kann, so dass die gesammelte Energie in Form eines erhitzten Fluids oder Dampfes einem Verbraucher zur Nutzung, wie Stromerzeugung, Klimatisierung, Trocknung, Entkeimung usw. zugeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorbervorrichtung unsymmetrisch gestaltet ist, indem sie aus einem selektiv beschichteten Absorberblech hergestellt ist, das bezogen...

Description

Die Erfindung betrifft ein solarthermisches Absorberrohr mittlerer Leistung zum Sammeln solarer Energie, indem auf eine Absorbereinrichtung, die sich üblicherweise in einem hochevakuiertem transparentem Glasrohr befindet, solare Energie mit Hilfe geeigneter Spiegel konzentriert wird und die Absorbervorrichtung auf ihrer äußeren Fläche eine selektive Beschichtung besitzt, die die solare Energie in einem sehr hohen Maße in einem weiten Spektralbereich absorbieren kann, wobei der Innenraum des Hüllrohres so weit evakuiert ist, dass Verluste durch Wärmeleitung sehr gering sind, und Wärmeverluste durch die vom Absorberrohr emittierte Strahlung auftreten, durch einen niedrigen Emissionskoeffizienten gering gehalten werden, wobei die gesammelte Wärme über eine geeignete Wärmeträgerflüssigkeit, wie Wasser, Thermoöl usw. zum Verbraucher geführt wird und dieser die thermische Energie zur Heizung, Trocknung, Kühlung, Stromerzeugung und anderes mehr nutzt.
Solche Absorberrohre für solare Strahlung werden in Verbindung mit Parabolspiegelrinnen zur Erzeugung von Dampf oder heißen Fluiden verwendet, die ihrerseits zur Stromerzeugung oder anderen Verwendung dienen.
Bekannt ist nach Patentschrift DE 102 31 467 B4 2004. 05. 27 ein Absorberrohr für solarthermische Anwendung, bei dem sich in einem mit Siliziumdioxid beschichteten Borosilikatrohr eine selektiv beschichtete Absorbervorrichtung befindet, die aus einem metallischen Rohr gefertigt wurde und deren äußerer Mantel mit einer solchen selektiven Beschichtung versehen ist, dass ihr Absorptionsgrad 95% beträgt und die bei einer Temperatur von 400°C nur 14% Wärmestrahlung emittiert. Das Rohr ist hoch evakuiert. Der Übergang vom metallischen Absorberrohr zum Borosilikatglashüllrohr wird durch eine spezielle Legierung realisiert, die den gleichen Ausdehnungskoeffizienten, wie das Borosilikatglas aufweist. Die Durchströmung der Absorbervorrichtung erfolgt in Längsachse des Absorberrohres.
Bemerkenswerterweise sind die Glas-Metall-Verbindung und der sogenannte Balg, der die äußere Längenausdehnung zum Folgerohr ausgleicht, übereinander geordnet.
Nachteilig bei dieser Lösung ist die Anwendung von teurem und nicht dauerhaft heliumdichten Borosilikatglas und die sehr aufwendig herzustellende Glas-Metall-Verbindung und der wenigstens teilweise darüber stehende Balg, was eine Aufwendung für kleinere Anlagen behindert.
Bekannt ist auch nach EP 15 28335 ein Absorberrohr, das aus einem rohrförmigen Borosilikat-Glaskörper besteht und zwei Stirnflächen und ein Innenrohr aus dem gleichen Glas besitzt. Der Raum zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr ist hoch evakuiert, was Wärmeverluste durch Wärmeleitung minimiert. In diesem Zwischenraum befindet sich die metallische, selektiv beschichtete Absorbervorrichtung, bestehend aus dem Absorberblech, das zur Wärmeübertragung die äußere Oberfläche des Innenrohres weitgehend umschließt. Die von der Absorbervorrichtung gesammelte Wärme wird durch die Glaswand des Innenrohres auf die Wärmeträgerflüssigkeit, die sich innerhalb des Innenrohres befindet, übertragen.
Nachteilig bei dieser Lösung ist der hohe Wärmewiderstand, der sich durch den relativ schwierig zu beherrschenden Wärmekontakt des Absorberbleches mit der Oberfläche des Innenrohres und der erforderlichen Wärmedurchströmung der Glaswand des Innenrohres ergibt. Für Systeme mit konzentrierenden Spiegeln ist das System nur bei hohen Brennweiten geeignet. Darüber hinaus besteht auf Grund der großen Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktflächen an der Außenfläche des Innenrohres und bei relativ kalter Wärmeträgerflüssigkeit im Innenrohr die Gefahr, dass das Rohr zerstört wird.
Bekannt ist auch ein Absorberrohr gemäß Patent WO/2006/015815 , bei dem die Oberfläche der Absorbervorrichtung radial unterschiedliche Beschichtungen aufweist. Die dem Konzentrator zugewandte Seite hat einen sehr hohen Absorptionskoeffizienten, während die abgewandte Seite einen sehr niedrigen Emissionskoeffizienten aufweist, was bei gleichzeitiger Nachführung von Konzentrator und Absorberrohr Wirkungsgradvorteile bewirkt.
Nachteilig bei dieser Erfindung ist, dass die Herstellung solcher Beschichtungen sehr aufwendig ist und diese dann auch nur für einen Rohrdurchmesser eingesetzt werden kann.
Bekannt ist gemäß Schrift DE 2654 143 vom 30. 11. 1976 ein Absorberrohr vom Dewar-Typ. Dieses besteht aus einem gläsernen Hüllrohr und einem gläsernen inneren Absorberrohr, das auf seiner Außenoberfläche selektiv und rotationssymmetrisch mit einem Material hoher Absorptionsfähigkeit beschichtet ist. Der Raum zwischen den beiden Rohren ist hoch evakuiert. Vorzugsweise sind beide Rohre aus Borosilikatglas gefertigt. Die absorbierte solare Energie durchströmt die Glaswand des Innenrohres und wird dort mittels eingeschobener Kontaktbleche und einem U-förmig ausgebildetem Wärmeträgerrohr durch eine geeignete Wärmeträgerflüssigkeit abgeführt.
Nachteilig bei dieser Ausführung ist, dass neben dem relativ hohen Wärmewiderstand der Glaswandung erhebliche thermische Übergangswiderstände durch Luftspalte auftreten, die Effektivitätsminderungen des Absorberrohres bewirken und dass bei hohen Temperaturen Oxidationen von Wärmeleitblechen und Wärmeträgerrohr auftreten. Dadurch ist die Anwendung dieses Absorberrohres auf niedrige Wärmeträger-Temperaturen im Bereich von 50–90°C beschränkt. Darüber hinaus treten bei hohen Leistungsdichten, wie sie bei energie-konzentrierenden Spiegelsystemen auftreten, relativ hohe Temperaturdifferenzen zwischen der auf der äußeren Oberfläche des Innenrohres aufgebrachten Absorberschicht und den deutlich tieferen Temperaturen an der Innenseite des inneren Glasrohres auf, die durch anliegende Kontaktbleche verursacht werden. Überschreiten diese hohen Temperaturen ein dem spezifischen Glas zugeordnetes Maß, wird das Rohr zerstört.
Bekannt ist auch das Gebrauchsmuster Nr. 20 2007 015 968.4 „Absorberrohr für solarthermische Anwendungen". In diesem Schutzrecht werden verschiedene rotationssymmetrische Absorbersysteme beschrieben, die entweder aus selektiv beschichtetem Metallrohr oder aus zu einem Rohr geformten Absorberblechen, die auf Wärmeträgerrohre geschweißt, sind beschrieben.
Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass die abstrahlende Oberfläche des Absorberrohres deutlich größer ist als die genutzte Absorptionsfläche, so dass die Wirkungsgrad-Kennlinie auf Grund von relativ hohen Wärmeleitungs- und Strahlungsverlusten vergleichsweise stark mit der Arbeitstemperatur abfällt.
Erfindungsgemäß werden die Nachteile der bekannten Lösungen, wie aufwendige Herstellungsverfahren, ungenügende Heliumdichtheit, geringer Wirkungsgrad, kurze Lebensdauer niedriger nutzbarer Temperaturbereich oder nicht genügende thermische Beständigkeit durch nachstehende Gestaltung und Verfahrensweisen, wie sie in den Schutzansprüchen beschrieben sind, vermieden.
Erfindungsgemäß besteht das solarthermische Absorberrohr mittlerer Leistung aus einem hoch evakuiertem Raum, 5, der aus dem durchsichtigen Hüllrohr 1, besteht und vakuumdichten Endverschlüssen des Rohres, wobei ein Ende des Hüllrohres mit einer eine Glas-Metall-Verbindung verschlossen ist, durch welche die Wärmeträgerrohre, 2, 4, geführt werden und am anderen Ende des Hüllrohres einen vakuumdichten Glasabschluss. Auch eine Ausführung mit Glas-Metallverbindungen an den beiden Rohrenden ist ausführbar, falls das Absorberrohr für eine axiale Durchströmung gestaltet ist. Innerhalb des evakuieren Hüllrohres befinden sich eine gemäß Schutzansprüche in radialer Richtung unsymmetrische Absorbervorrichtung, die aus selektiv beschichtetem Absorberblech gefertigt ist.
Erfindungsgemäß wird die Absorbervorrichtung aus selektiv beschichtetem Blech hergestellt, dass eine hohe Absorptionsfähigkeit für die eingestrahlte solare Energie aufweist und gleichzeitig einen niedrigen Emissionskoeffizienten besitzt, wobei die Beschichtung der Absorbervorrichtung oder die Form der Absorbervorrichtung so gewählt wird, dass die über Wärmestrahlung und Wärmeleitung bewirkten Wärmeverluste minimiert werden.
In einer ersten Variante, 1, der Absorbervorrichtung ist das Absorberblech auf beiden Seiten, Innenseite, 8, Außenseite, 7, mit selektiven Absorbermaterial beschichtet. Dabei überstreicht das selektiv beschichtetes Blechsegment, 3, im Abstand r vom Brennpunkt des Konzentrator-Spiegels einen Teilabschnitt eines Kreises.
Das Wärmeträgerrohr, 4, ist mit dem Absorberblech verschweißt, so dass eine innige thermische Verbindung zwischen Absorberblech und Wärmeträgerrohr besteht. Durch die Glas-Metall-Verbindung wird das Rohr 2 für die Wärmeträger-Flüssigkeit in den Innenraum des Hüllrohres geleitet.
Die Ausleitung des erwärmten Wärmeträgers erfolgt über das Rohr 4. Sollte es erforderlich sein, kann die Strömungsrichtung auch in entgegengesetzter Richtung gewählt werden. Das Absorber-Blech-Segment wird durch entsprechende Vorrichtungen in Relation zum Brennpunkt des Konzentrator-Spiegels so fixiert, dass die vom Konzentrator-Spiegel auf das Absorber-Blech-Segment fallende Strahlung möglichst senkrecht auftrifft.
In einer zweiten Ausführung, 2, besitzt die Absorbervorrichtung neben dem beschriebenen Absorber-Blech-Element ein dachähnliches selektiv beschichtetes Absorberblech 8, das über seine Beschichtung, 9, die direkte solare Strahlung absorbiert, die sonst durch Reflexion verloren ginge. In vorliegender Konstruktion sind die beiden Absorberbleche auf ein U-förmiges Wärmeträgerrohr aufgeschweißt.
Ausführungsbeispiel:
Auf ein etwa 4 m langes Kupferrohr mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Wandstärke von 0,5 mm wird ein beidseitig mit Titanoxidnitrid beschichtetes Absorberblech aus Kupfer mit einer Stärke von 0,3 mm, einer Breite von 48 mm und einer Länge von 1900 mm mittels Ultraschall aufgeschweißt. Das Rohr dient der Förderung des Wärmeträgers. Mittels einer Präge- und Rollvorrichtung wird das aufgeschweißte Blech zu einem Rohrsegment, das einen Durchmesser von 40 mm, besitzt geformt. Das Wärmeträgerohr wird in der Mitte um 180° gebogen, so dass die Rohrenden des Wärmeträgerrohres eine U-Form ergeben. Die gesamte Absorbereinheit wird in das Blech einer Glas-Metall-Verbindung vakuumdicht eingelötet, mit 4 Abstandshaltern versehen und danach in das Hüllrohr eingeschoben.
In den Folgeschritten erfolgt die Glasbearbeitung: Umglasen der Glas-Metall-Verbindung, Einschmelzen des Teiles auf der Gegenseite des Hüllrohres, das den Getter und das Pumprohr trägt, Evakuieren während Erhitzung des Rohres, Verschließen des Pumprohres, Aktivieren des Getters, Schutz des Pumprohres durch ein Plastteil. Damit ist der Herstellungsprozess des Solarthermischen Absorberrohres mittlerer Leistung abgeschlossen.
Oberflächenoptimierte Absorberrohre gemäß Erfindungsansprüchen in doppelbeschichteter Ausführung oder mit einem dachähnlichem Zusatzabsorber in Verbindung einem qualitativ, hochwertigen Parabolspiegel (Beispiel: Länge von 1,9 m, Breite von 0,4 m, gute Spiegelqualität, solare Strahlung 1000 W/m^2) sind deutlich effizienter als solche in Einfachbeschichtung (siehe Bild)
Die effektivste Kennlinie erhält man in der Ausführung mit dachähnlichem Zusatzabsorber, gefolgt von der Ausführung Doppelbeschichtung ohne dachähnlichen Zusatzabsorber.
Das solarthermische Absorberrohr gemäß Erfindung eignet sich auf Grund seines relativ geringen Herstellaufwandes und seiner Robustheit besonders in der mittelständischen Anwendung wie für Wäschereien, Klimatisierungen Heizungs- und Trocknungsprozesse.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10231467 B4 [0003]
- EP 1528335 [0006]
- WO 2006/015815 [0008]
- DE 2654143 [0010]

Claims

Solarthermisches Absorberrohr mittlerer Leistung zur Absorption solarer Strahlung mit dem Ziel der Wärmeerzeugung, das üblicherweise fest mit einem die solare Strahlung konzentrierenden Spiegel verbunden ist und der Sonne nachgeführt wird, bestehend aus einem transparenten, evakuierten Schutzrohr aus Glas, in dem sich eine oder mehrere Absorbervorrichtungen befinden, deren Oberflächen sich zumindest teilweise auf einer Bahn befinden, die angenähert radial um den Focus des Konzentrator-Spiegels sich erstrecken, wobei auf Grund einer geeigneten selektiven Beschichtung die Oberflächen der Absorbervorrichtung in sehr hohem Maße die solare Strahlung absorbieren und die Absorbervorrichtung so gestaltet ist, dass eine die erzeugte Wärme abführende Wärmeträgerflüssigkeit über ein Wärmeträgerrohr zugeführt bzw. wieder abgeleitet werden kann, so dass die gesammelte Energie in Form eines erhitzten Fluids oder Dampfes einem Verbraucher zur Nutzung, wie Stromerzeugung, Klimatisierung, Trocknung, Entkeimung usw. zugeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorbervorrichtung unsymmetrisch gestaltet ist, indem sie aus einem selektiv beschichteten Absorberblech hergestellt ist, das bezogen auf den Querschnitt des Absorberrohres einen Teilausschnitt eines Kreises um den Fokus des Konzentrator-Spiegels bildet, wobei das Absorberblech beidseitig beschichtet ist, so dass auch die direkte solare Strahlung absorbiert wird und dieses beidseitig beschichtete Absorberblech so mit einem Wärmeträgerrohr thermisch, vorzugsweise durch Schweißen, verbunden ist, dass sich ein geringer thermischer Widerstand einstellt und die Wärme mittels eines geeigneten Fluids ausgeleitet werden kann.
Solarthermisches Absorberrohr mittlerer Leistung nach Oberbegriff, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorbervorrichtung unsymmetrisch gestaltet ist, indem sie aus einem einseitig, selektiv beschichtetem Absorberblech hergestellt ist, das bezogen auf den Querschnitt des Absorberrohres einen Teilausschnitt eines Kreises um den Brennpunkt des Konzentrator- Spiegels bildet, die Beschichtung in Richtung des Konzentrator-Spiegels gerichtet ist und diese Absorbervorrichtung so mit einem Wärmeträgerrohr verbunden ist, dass sich ein geringer thermischer Widerstand einstellt und die Wärme mittels eines geeigneten Fluids ausgeleitet werden kann, wobei die Öffnung des Absorberbleches in Richtung Sonne mit einem dachähnlichen selektiv beschichtetem Absorberblech abgedeckt wird, das die direkte solare Energiestrahlung absorbiert, so dass die Wärme auch dieses solaren Energieanteiles mittels eines Wärmeträgerrohres, das mit dem dachähnlichen Absorberblech innig verbunden ist, ausgeleitet werden kann.
Solarthermisches Absorberrohr mittlerer Leistung nach Oberbegriff und Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgerrohr eine U-Form bildet, bei dem auf einem Schenkel das um den Brennpunkt des Konzentrator-Spiegels als Kreisabschnitt ausgebildeten Absorberblech und auf dem anderen Schenkel das dachähnliche Absorberblech, soweit es vorhanden ist, so mit dem Wärmeträgerrohr verbunden ist, dass sich ein geringer thermischer Widerstand einstellt und die gesammelte Wärme über ein geeignetes Fluid auf einer Seite des solarthermischen Absorberrohres über eine Glas-Metall-Verbindung ausgeleitet werden kann.
Solarthermisches Absorberrohr mittlerer Leistung nach Oberbegriff und Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gesammelte solarthermische Wärme mittels einem oder falls ein dachähnliches Absorberblech angewendet wird, mit zwei Wärmeträgerrohren, die innig und mit geringem thermischen Widerstand mit dem jeweiligen Absorberblech verbunden sind, axial ausgeleitet wird; das heißt, die Einströmung erfolgt auf einer Seite und die Ausleitung erfolgt auf der anderen Seite des solarthermischen Absorberrohres, wobei Vorkehrungen zur Aufnahme von Dehnungen der Wärmeträgerrohre getroffen sind.
Solarthermisches Absorberrohr mittlerer Leistung nach Oberbegriff und Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wärmeträgerrohre oberhalb des um den Brennpunkt des Konzentrator-Spiegels als Kreisabschnitt ausgebildeten Absorberblechs befinden und gegebenenfalls von dem dachähnlichem Absorberblech abgedeckt werden.
Solarthermisches Absorberrohr mittlerer Leistung nach Oberbegriff und Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wärmeträgerrohre unterhalb des um den Brennpunkt des Konzentrator-Spiegels als Kreisabschnitt ausgebildeten Absorberblechs befinden.
Solarthermisches Absorberrohr mittlerer Leistung nach Oberbegriff und Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Wärmeträgerrohr oberhalb und ein Wärmeträgerrohr unterhalb des um den Brennpunkt des Konzentrator-Spiegels als Kreisabschnitt ausgebildeten Absorberblechs befinden.
Solarthermisches Absorberrohr mittlerer Leistung nach Oberbegriff und Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wärmeausleitung ein Wärmerohr (Heatpipe) verwendet wird und der mit dem Absorberblech thermisch innig verbundene Verdampferteil des Wärmerohres (Heatpipe) sich oberhalb oder unterhalb des Absorberblechs befindet.
Solarthermisches Absorberrohr mittlerer Leistung nach Oberbegriff und Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeausleitrohre oder der Verdampferteil des Wärmerohres (Heatpipe) selektiv beschichtet sind, so dass auch sie solare Energie absorbieren und diese Energie der Nutzung zugeführt werden kann.
Solarthermisches Absorberrohr mittlerer Leistung nach Oberbegriff, den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgerrohr oder die Wärmeträgerrohre innerhalb des solarthermischen Absorberrohres zum Zweck des Ausgleiches der Längenveränderungen durch Temperaturwechsel zu ringförmigen Schlaufen geformt werden, die sich zwischen Absorberbereich und Glas-Metall-Verbindung befinden.