DE2523965C3

DE2523965C3 - Sonnenkollektor mit U-förmigem Absorber

Info

Publication number: DE2523965C3
Application number: DE2523965A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl.-Phys. Dr. Kersten; Egbert Kuhl
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1975-05-30
Filing date: 1975-05-30
Publication date: 1980-06-19
Also published as: JPS546401B2; FR2312743B1; SE7605970L; FR2312743A1; GB1542400A; DE2523965B2; DE2523965A1; US4134388A; CA1040038A; JPS51145037A

Description

umdicht verschmolzen werden. Die Absorberrohre haben hierbei zweckmäßigerweise einen kreisförmigen Querschnitt.

Die Wärmeverluste des Sonnenkollektors lassen sich durch folgende Maßnahmen verringern:

a) Das Abdeckrohr ist auf seiner Innenseite im zylindrischen Bereich mit einer ultrarotreflektierenden Schicht bedeckt. Als ultrarotreHektierende Schichten kommen solche aus Zinndioxyd, vorzugsweise aber aus Indiumoxyd, in Betracht.

b) Der U-förmige Absorber weist im zylindrischen Bereich des Abdeckrohres eine schwarze Oberflächenschicht auf, die z. B. aus einem selektiven Absorbeimaterial, wie Nickel- bzw. Kupferoxyd oder-sulfid, bestehen kann oder in Kombination mit einer ultrarotreflektierenden Schicht aus nicht-selektivem schwarzem Glasemail besteht. Unter dem zylindrischen Bereich des Abdeckrohres ist derjenige Teil zu verstehen, der kreiszylindrisch ausgebildet ist und an den sich die kappenförmigen Enden des verschlossenen Abdeckrohres anschließen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Sonnenkollektors nach der Erfindung sind im Abdeckrohr an den Enden des zylindrischen Bereiches sich quer zur Rohrachse erstreckende flache Reflektoren vorgesehen, die gleichzeitig zur Halterung des Absorbers dienen. Sie können aus dünnem Aluminiumblech oder aus mit Aluminium oder Silber bedampftem Glimmer bestehen. Diese flachen Innenreflektoren dienen zur Reflexion der Wärmestrahlen aus dem Abdeckrohr. Wären sie nicht vorhanden, so würde die Wärmestrahlung von den thermisch schwarzen Rohrendkappen, die aus technischen Gründen nur schwer mit einer ultrarotreflektierenden Schicht zu bedecken sind, absorbiert und zu Wärmeverlusten führen. Bei schrägem Lichteinfall gingen darüber hinaus ohne diese Reflektoren alle Teilstrahlen verloren, die in den absorberlosen Raum der Rohrendkappen fallen.

Vorzugsweise sind die sich zwischen Endreflcklor und der Einschmelzung von Absorber und Abdeckrohr befindlichen Absorberrohrabschnitte mit einer Schicht von geringer thermischer Emission versehen. Diese Schicht kann z. B. aus Einbrenngold bestehen. Fertigungstechnisch lassen sich hierdurch zuverlässige Verschmelzungen erreichen, da die so beschichteten Absorberrohrabschnitte wegen geringerer Wärmeabgabe leichter die erforderliche Verschmelzungstemperatur aufrechterhalten. Auch werden hierdurch die Verluste des Wärmetransportmediums in diesen Rohrabschnitten verringert.

Die in Frage stehenden Sonnenkollektoren sind hauptsächlich für eine aus mehreren para'lcl nebeneinander und horizontal angeordneten Sonnenkollcktoren bestehende Kollektorfläche bestimmt, deren Normale in Richtung der durchschnittlichen maximalen Sonnenstrahlung weist, wobei die Innenspiegelsymmetrieebenen der einzelnen Sonnenkollektoren senkrecht zur Kollektoroberfläche angeordnet sind und das Wärmetranspor«',!üt<Mim die einzelnen Sonnenkolektoren nacheinander durchströmt. Gemäß der Erfindung ist hierbei das freie Ende des Absorberinnenrohres in der Absorbermittelebene zur Abdeckrohrachse hin abgewinkelt und das freie Ende des AbsorberauBenrohres in der Horizontalen aus der Absorbcrmittelebene abgewinkelt.

Hierdurch wird einmal der notwendige Abstand der Absorberrohrdurchführungen durch das Abdeckrohr für eine einwandfreie Verschmelzung erhalten. Zum anderen bleiben beim Ausfließen des Transportmediums, z. B. Wasser, keine Reste dieses Mediums im Absorber zurück, was zur Frostschutzentleerung wichtig ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Sonnenkollektoren nach der Erfindung sind die verspiegelten Unterseiten der Abdeckrohre in einem Wärmeisolierstoff untergebracht, der sich um die ίο spiegelfreien Enden der Abdeckrohre herum erstreckt und in Verlängerung der sich quer zur Rohrachse erstreckenden Reflektoren ebenfalls mit einer Spiegelschicht versehen ist. Der Wärmeisolierstoff übernimmt dabei auch die Funktion einer kastenförmigen Halterung der einzelnen Sonnenkollektoren.

Die Wärmeisolierung der Abdeckrohre trägt zur Wirkungsgraderhöhung der Sonnenkollektoren bei, während mit der Verspiegelung der Isolation in Verlängerung der flachen Innenreflektoren erreicht wird, daß bei schrägem Sonnenstrahlungseinfall die durch die Abschattung der überstehenden Isolation der einen Seite verlorene Strahlung auf der anderen Seite auf die Absorber zurückreflektiert wird.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Sonnenkollektor nach der Erfindung;

In den Fig. 2 und 3 sind Querschnitte durch diesen Sonnenkollektor längs der Ebenen H-II und HI-III dargestellt, wobei der Übersicht halber die Wandstärke des Abdeckrohres sowie die auf dieses Rohr innen aufgebrachten Beläge übertrieben dick gezeichnet sind;

In Fig. 4 sind mehrere schräg übereinander angeordnete Sonnenkollektoren nach der Erfindung zu einer Kollektorfläche zusammengefaßt;

Fig. 5 zeigt die Seitenansicht einer Kollektorflache nach Fig. 4 mit einer Wärmeisolation. Der Sonnenkollektor nach den Fig. 1 bis 3 weist ein transparentes Abdeckrohr 1 aus Glas mit einem zylindrischen Bereich 5 auf, das an seinen Enden verschlossen ist, wobei sich domförmige Rohrendkappen 2 und 3 bilden. An der Rohrendkappe 2 befindet sich ein abgeschmolzener Pumpstengel 4. durch den das Innere des Abdeckrohres 1 auf einen Restgasdruck von weniger als 1 mbar evakuiert ist. Das Abdeckrohr I ist auf seiner ganzen Zylinderlänge über einen Querschnittsbereich von wenigstens 180° mit einem Innenspiegel 6 aus aufgedampftem Silber versehen. Ferner ist das Abdeckrohr 1 auf der Innenseite im zylindrischen Bereich 5 mit einer ultrarotreflektierenden Schicht 7 aus IN₂O₃ bedeckt.

In das Abdeckrohr 1 ist bei 23 ein rohrförmiger Absorber 8 aus Glas vakuumdicht eingeschmolzen, der U-förmig ausgebildet ist und zur Aufnahme eines durch Sonnenstrahlung zu erhitzenden Transportmediums, z. B. Wasser, dient. Der Absorber 8 ist mit seiner durch die U-Rohrachsen gehenden Mittelebene bo 21 in der Symmetrieebene des Innenspiegels 6 zwischen Abdeckrohrachse 22 und dem Innenspiegel 6 angeordnet; er weist im zylindrischen Bereich 5 des Ai.deckrohres 1 eine schwarze Oberflächenschicht, z. B. aus schwarzem Glasemail, auf. bs Der Absorber 8 ist im Abdeckrohr 1 mit Hilfe von zwei flachen Reflektoren 9 und 10 gehaltert, die sich an den Enden des zylindrischen Bereiches S des Abdeckrohres 1 uuer zur Rohrachse 22 erstrecken und

aus mit Aluminium bedampftem Glimmer bestehen. Der Reflektor 9 trägt ferner einen Getterring 11. Am hinteren Ende des Absorbers 8 ist ein gläserner Haltedorn 12 angeschmolzen, der in den Reflektor 9 tragend eingreift.

Die sich zwis*. hen dem Reflektor 10 und der Einschmelzung 23 des Absorbers 8 und dem Abdeckrohr 1 befindlichen Absorberrohrabschnitte 13 und 14 sind auf ihrer Außenseite mit einer Einbrenngoldschicht 15 versehen.

In Fig. 4 ist eine Kollektorfläche dargestellt, die aus mehreren horizontal nebeneinander angeordneten Sonnenkollektoren nach den Fig. 1 bis 3 besteht. Hierbei liegen die Innenspiegelsymmetrieebenen der einzelnen Sonnenkollektoren parallel zueinander, aber senkrecht zur Kollektorfläche, wobei die Normale der Kollektorfläche in Richtung der durchschnittlichen maximalen Sonneneinstrahlung weist. Das Wärmetransportmedium, z. B. Wasser, durchströmt die einzelnen Sonnenkollektoren nacheinander, welche mit Hilfe von Verbindungsschläuchen 18 miteinander verbunden sind. Das freie Ende der Absorberinnenrohre 19 ist hierbei in der Absorbermittelebene 21 zur Abdeckrohrachse 22 hin abgewinkelt, während das freie Ende des Absorberaußenrohres 20 in der Horizontalen aus der Absorbermittelebene 21 abgewinkelt ist. Hierdurch wird erreicht, daß beim Ausfließen des z. B. aus Wasser bestehenden Transportmediums keine Wasserreste im Absorber 8 zurückbleiben.

Bei dem Sonnenkollektor nach Fig. 5 ist die verspiegelte Unterseite des Abdeckrohres 1 in einem Wärmeisolierstoff 16 untergebracht, der sich um die spiegelfreien Enden 2 und 3 des Abdeckrohres J herum erstreckt. In Verlängerung der Reflektoren S und 10 ist der Wärmeisolierstoff 16 mit einer Spiegel schicht 17 aus Aluminiumblech versehen. Diese Spiegel 17 dienen dazu, die auf sie auftreffende Sonnenstrahlung auf den Absorber 8 zurückzureflektieren.

Bei einem praktischen Ausfiihrungsbeispiel einei Kollektorfläche nach Fig. 5 mit 18 Solarkollektorer beträgt der Außendurchmesser der Abdeckrohre 1 65 mm, ihre Wandstärke 1,2 mm, ihre Gesamtlänge 105 cm und die Länge im zylindrischen Bereich 5 zwischen den Reflektoren 9 und 10 98 cm. Die ultrarot reflektierende Schicht 7 besteht aus Indiunioxyd mil einer Schichtdicke von 0,3 μπι und einem Emissionsvermögen ε = 0,15. Der Absorber 8 weist ein Glasrohr mit einem Außendurchmesser von 15 mm und einer Wandstärke von 1 mm auf. Die Absorberoberfläche besteht aus schwarzem Glasemail mit einei Dicke von 0,2 mm und besitzt ein Absorptionsvermögen α = 0,96 und ein Emissionsvermögen ε = 0,9.

Eine derartige Kollektorfläche hat einen Transmissions-Absorptionsfaktor τα von 0,75 (ra = Produkt aus Durchlässigkeit und Absorption der Kollektorabdeckung für gerichtete und diffuse Strahlung) und eine Wärmeverlustzahl k^, einschließlich aller Randverluste von 1,5 W/m²K. Wasser läßt sich damit bei 293° K Umgebungstemperatur (20° C) bereits bei einer Sonneneinstrahlung von mehr als 200 W/nr (volle Sonneneinstrahlung: 75: W/m²) bis zum Siedepunkt von 373° K (100° C) erhitzen.

Hierzu 3 Blau Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Sonnenkollektor mit einem rohrförmigen Absorber in U-Form zur Übertragung der durch Sonnenstrahlung einfallenden Wärme auf ein fluides Transportmedium, der vakuumdicht unmittelbar in ein verschlossenes, evakuiertes, transparentes Abdeckrohr eingeschmolzen ist, das auf seiner ganzen Zylinderlänge über einen Querschnittsbereich von wenigstens 180° mit einer Innenverspiegelung versehen ist, dadurchgekennzeichnet, daß der U-förmige Absorber (8) mit seiner durch die U-Rohrachsen gehenden Mittelebene (21) in der Symmetrieebene des Innenspiegels (6) zwischen Abdeckrohrachse (22) und Innenspiegel angeordnet ist.

2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdeckrohr (1) auf seiner Innenseite im zylindrischen Bereich (5) mit einer ultrareflektierenden Schicht (7) bedeckt ist.

3. Sonnenkollektor nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der U-förmige Absorber (8) im zylindrischen Bereich (5) des Abdeckrcihres (1) eine schwarze Oberflächenschicht aufweist, die ein hohes Absorptionsvermögen σ S0,9 im Spektralbereich des Sonnenlichtes und ein geringes Emissionsvermögen ε = 0,3 im Bereich der Wärmestrahlung besitzt.

4. Sonnenkollektor nach den Ansprüchen 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß im Abdeckrohr (1) an den Enden des zylindrischen Bereiches (5) sich quer zur Rohrachse (22) erstreckende flache Reflektoren (9 und IQ) vorgesehen sind, die gleichzeitig zur Halterung des Absorbers (8) dienen.

5. Sonnenkollektor nach den Ansprüchen 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die sich zwischen Endreflektor (10) und der Einschmelzung (23) von Absorber (8) und Abdeckrohr (1) befindlichen Absorberrohrabschnitte (13 und 14) mit einer Schicht (15) von geringer thermischer Emission versehen sind.

6. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis S für eine aus mehreren parallel nebeneinander und horizontal angeordneten Sonnenkollektoren bestehende Kollektorfläche, deren Normale in Richtung der durchschnittlichen maximalen Sonnenstrahlung weist, wobei die Innenspiegelsymmetrieebencn der einzelnen Sonnenkollektoren senkrecht zur Kollektorfläche angeordnet sind und das Wärmetransportmedium die einzelnen Sonnenkollektoren nacheinander durchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende des Absorberinnenrohres (19) in der Absorbermittelebene (21) zur Abdeckrohrachse (22) hin abgewinkelt und das freie Ende des Absorberaußenrohres (20) in der Horizontalen aus der Absorbermitte!ebene abgewinkelt ist.

7. Sonnenkollektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verspiegelten Unterseiten der Abdeckrohre (1) in einem Wärmeisolierstoff (16) untergebracht sind, der sich um die spiegelfreien Enden (2 und 3) des Abdeckrohres herum erstreckt und in Verlängerung der sich quer zur Rohrachse erstreckenden Reflektoren (9 und 10) ebenfalls mit einer Spiegelschicht (17) versehen ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sonnenkollektor mit einem rohrförmigen Absorber in U-Form zur Übertragung der durch Sonnenstrahlung einfallenden Wärme auf ein fluides Transportmedium, der vakuumdicht unmittelbar in ein verschlossenes, evakuiertes, transparentes Abdeckrohr eingeschmolzen ist, das auf seiner ganzen Zylinderlänge über einen Querschnittsbereich von wenigstens 180° mit einer Innenverspiegelung versehen ist,

Sonnenkollektoren sollen den Hauptteil des Strahlungsspektrums des Sonnenlichtes in Wärme umwandeln und diese mit möglichst hohem Wirkungsgrad an ein fluides Transportmedium, z. B. Wasser, austauschen. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades sollen Sonnenkollektoren nach Möglichkeit folgende Eigenschaften besitzen:

a) hohe Absorption (Absorptionsvermögen a ^ 0,9) im gesamten Spektralbereich des Sonnenlichtes (X = 0,3 bis 2 μπι)

b) geringe Emission (Emissionsvermögen ε S 0,3) im Bereich der Wärmestrahlung (λ = 3 bis 30 um)

c) geringe Wärmeverluste durch Wärmeleitung und Konvektion

d) geringe thermische Kapazität

Aus der US-PS 3227153 sind Sonnenkollektoren mit einem U-förmigen Absorber bekannt, der mit seiner durch die U-Rohrachsen gehenden Mittelebene quer zur Symmetrieebene des Innenspiegels angeordnet ist. Die Rückseite eines so angeordneten Absor bers wird vom Sonnenlicht nicht beschienen und trägt daher praktisch nicht zur Wärmeerzeugung bei. Aus diesem Grunde muß ein solcher Absorber zur Erzielung einer bestimmten Temperatur eines Transportmediums eine große Oberfläche aufweisen.

Der aus der Zeitschrift »Allgemeine Wärmetechnik«, Band 12, April 1966, Seite 133, bekannte Sonnenkollektor besitzt ein Heizrohr, das in der Brennlinie eines Parabolspiegels angeordnet ist. Das Heizrohr wird durch ein Wasserzuflußrohr gespeist, das im Schatten des Heizrohres liegt, selbst niemals mit Sonnenlicht beaufschlagt wird und daher praktisch ständig kalt bieibt. Das Heizrohr kann von einem konzentrischen, luftgefüllten Glasrohr umgeben werden. Mit diesem Sonnenkollektor kann nur mit direktem Sonnenlicht aus einer Richtung eine Brennlinie auf dem Heizrohr erzeugt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sonnenkollektor mit einem möglichst kleinen Absor-V) ber bei hoher Ausnutzung der Sonnenenergie, insbesondere der diffusen Strahlung, zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einem Sonnenkollektor eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der U-förmige Absorber mit seiner durch die U-Rohrachsen gehenden Mittelebene in der Symmetrieebene des Innenspiegels zwischen Abdeckrohrachse und Innenspiegel angeordnet ist.

Bei dieser Anordnung wird der gesamte Absorber mit Sonnenlicht aus dem ganzen Halbraum beauf-M) schlagt, so daß man gegenüber dem bekannten Sonnenkollektor praktisch mit der Hälfte des Absorbervolumens auskommt.

Das Abdeckrohr besteht hierbei zweckmäßigerweise aus Glas und der Innenspiegel aus Silber oder *>5 Aluminium. Wenn der U-förmige Absorber ebenfalls aus Glas besteht, vorzugsweise aus außengeschwärztem Glas, so können Absorber und Abdeckrohr in einfacher Weise an einem Ende zu einer Einheit vaku-