DE2603506A1

DE2603506A1 - Flaechige sonnenenergiesammler mit absorberplatten aus glashohlfasern

Info

Publication number: DE2603506A1
Application number: DE19762603506
Authority: DE
Inventors: Eckart Dipl Phys Dr Hussmann; Roland Dipl Chem Dr Schnabel
Original assignee: Jenaer Glaswerk Schott and Gen
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1976-01-30
Filing date: 1976-01-30
Publication date: 1977-08-11
Also published as: FR2339820A1; IT1076574B; US4180056A; GB1569804A

Description

2603606

JENAer GLASWERK SCHOTT & GEN.

6500 Mainz Hattenbergstr. 10

P 474

Flächige Sonnenenergiesammler mit Absorberplatten aus Glashohlfasern

Solarenergiekollektoren (Sonnenenergiesaininler) zur Umwandlung der Sonnenstrahlungsenergie in Wärme - im Gegensatz zu Solarzellen, welche photoelektrische Effekte nutzen - bestehen aus einem Absorber, der die Strahlung möglichst vollkommen aufnimmt, und einer geeigneten Anordnung, welche die Wärme von
dem Absorber zum Wärmespeicher oder direkt zur wärmenutzenden

Einrichtung führt. Man nennt diese Art der Nutzung der Sonnenenergie heute auch photothermische Umwandlung. Die Wärme wird im allgemeinen durch ein strömendes Medium (Gas oder Flüssigkeit) abtransportiert.

Man unterscheidet zwar prinzipiell zwischen Flachsammlern und konzentrierenden Sammlern, wobei man unter Flachsammlern solche versteht, bei denen die einfallende Sonnenstrahlung unmittelbar auf den Sammler auftrifft, während man unter konzentrierenden Sammlern solche versteht, bei denen die Sonnenstrahlung vor dem Auftreffen auf den Sammler durch optische Anordnungen konzentriert wird.

Der von der Sonnenstrahlung erwärmte Absorber gibt seine Wärme nicht nur an das Transportmedium ab, sondern verliert auch Wärme an die Umgebung. Solche unerwünschten Verluste treten sowohl bei konzentrierenden Sammlern als auch bei Flachsammlern auf.

Die Seite des Absorbers, welche die Sonnenstrahlung empfängt, ist schwierig gegen Wärmeverluste zu schützen. Auf dieser Seite des Absorbers angeordnete, wärmedämmende Vorrichtungen müssen nämlich der Forderung genügen, daß die Strahlung die wärmedämmenden Anordnungen möglichst ungehindert passieren kann, d.h. sie müssen weitgehend transparent für Sonnenstrahlung sein.

Wärmeverluste treten durch Wärmeleitung, Konvektion und durch Strahlungsaustausch ein. Maßnahmen zur Unterdrückung der Verluste betreffen oft nur eine der genannten Arten der Wärmeübertragung, manchmal auch gleichzeitig mehrere.

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Wärmeverluste der Solarenergiekollektoren durch Strahlungsaustausch lassen sich durch verschiedene Maßnahmen unterdrücken. Häufig benutzt man selektiv reflektierende Schichten als Absorber. Gleichermaßen wirksam sind Beschichtungen auf Deckscheiben, welche für die Sonnenstrahlung transparent sind, aber langwelliges Infrarot reflektieren können. Nicht ganz so wirksam wie die oben beschriebenen Maßnahmen sind ein oder mehrfache Abdeckscheiben, welche für Sonnenstrahlung transparent sind, langwelliges Infrarot aber absorbieren.

Wärmeverluste durch Wärmeleitung und Konvektion sind bei Solarenergiekollektoren eng miteinander verknüpft.

So ist z.B. bei Flachsammlern mit mehreren für Sonnenstrahlung transparenten Abdeckscheiben der Abstand zwischen dem Absorber und der darüber liegenden Scheibe, oder zwischen zwei Scheiben ab etwa 15 mm Zwischenraum ohne Einfluß auf die wärmedämmenden Eigenschaften der Anordnung. Jede Steigerung der Dicke der Gasschichten führt nur zu erhöhter Konvektion.

Eine oft benutzte .»Maßnahme zur Unterdrückung der Wärmeleitung und Konvektion ist, den Absorber in ein Gefäß einzuschließen, welches die Sonnenstrahlung zum Absorber durchläßt und evakuierbar ist. Unterhalb eines bestimmten Druckes ist die Konvektion zuverlässig unterdrückt. Mindert man den Druck noch weiter, dann gelangt man zu einem Punkt, von dem ab eine weitere Druckabsenkung die Wärmeleitung verkleinert.

Alle bislang genannten Maßnahmen sind in den mannigfaltigsten Kombinationen sowohl bei konzentrierenden als auch bei Flachsammlern angewandt worden.

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Man kennt z.B. konzentrierende Sammler mit selektiv reflektierenden Absorberschichten, selektiv transmittierenden Schichten auf den Abdeckscheiben, oder auch mit beidem. Oft sind die umhüllenden Gefäße mehr oder minder evakuiert.

Bei Flachsammlern sind viele Anordnungen mit selektiv reflektierenden Absorberschichten unter Einfach— oder Mehrfachscheiben— abdeckungen versucht worden.

Eine weitere Quelle von Wärmeverlusten ist darin zu sehen, daß bei den gebräuchlichsten Absorberplatten - Abführung der Wärme von geschwärzten Metallplatten mittels flüssigkeitsdurchströmter Kanäle - die Metallstreifen zwischen den Kanälen die Wärme zu diesen leiten müssen. Dabei treten Verluste auf, indem die Temperatur auf den Metallstreifen zwischen den Rohren höher ist als auf den Rohren, und damit auch höhere Verluste nach außen auftreten. Die Wärmeverluste sind annähernd der Differenz 2wischen der mittleren Absorber temper atur und der Außentemperatur proportional. Die mittlere Absorbertemperatur ist umso höher, je weiter die einzelnen flüssigkeitsdurchströmten Kanäle voneinander entfernt sind. Je enger diese Kanäle auf dem Absorber angeordnet sind, umso kleiner werden also auch die Verluste.

Nun kann man aus wirtschaftlichen und aus konstruktiven Gründen den Abstand der Kanäle nicht immer beliebig klein halten. Im Extremfalle bliebe nur noch ein einziger breiter Kanal unter dem Absorber übrig. Da aber die Strömung in diesem breiten Kanal unter jedem Teil des Absorbers gleich sein sollte, kann man nur schwierig auf Führungskanäle verzichten.

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Verlötet, verschweißt oder verklebt man Röhren unter einer Metallabsorberplatte, dann verbietet es sich aus Kostengründen, beliebig eng geführte Rohrschlangen anzubringen.

Benutzt man Absorber in "Rollbondtechnik", dann sind auch hier die Abstände zwischen den Kanälen nicht beliebig eng zu gestalten. Aus Festigkeitsgründen muß zwischen den einzelnen Kanälen mindestens ein ausreichender Abstand eingehalten werden (meist einige cm).

Ein anderer, aber nicht minder schwerwiegender Nachteil von Absorbern mit Kanälen, die von einer wärmeführenden Flüssigkeit durchströmt werden, ist, daß praktisch alle Metalle Korrosion unterworfen sind. Selbst Kupfer ist davon nicht völlig ausgenommen .

Stahlabsorber und Aluminiumrollbondabsorber sind nur als geschlossenes System -und auch dann nur mit Korrosion mindernden Zusätzen im wärmeabführenden Wasserkreislauf - zu betreiben.

Es ist deshalb mehrfach vorgeschlagen worden, die Kanäle aus korrosionsbeständigen organischen Kunststoffen anzufertigen. Nachteilig ist hier, daß organische Kunststoffe bei höheren Temperaturen rasch altern und nur ein geringes Wärmeleitvermögen haben; d.h. die auf dem Absorber in Wärme gewandelte Sonnenstrahlungsenergie wird nur schlecht auf die in den Rohren strömende Flüssigkeit übertragen.

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Geht man zu höheren Temperaturen über - was unter Benutzung geeigneter Maßnahmen zur Unterdrückung der Wärmeverluste durchaus möglich ist - so sind die meisten der oben genannten Absorberkonstruktionen nicht in der Lage, wesentlich höhere Drücke als Atmosphärendruck aufzunehmen. Ausgenommen sind Rohrsysteme mit geringem Durchmesser aus Metallen mit guten Festigkeitseigenschaften.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein verbesserter Sonnenenergiesammler, welcher die oben genannten Nachteile und Schwierigkeiten der bislang bekannten Sammler in praktisch allen Aspekten völlig beseitigt oder zumindest erhebliche Vorteile gegenüber dem bislang Bekannten mit sich bringt.

Ziel der Erfindung ist insbesondere ein Sonnenenergiesammler, dessen Absorbereinheit wirtschaftlich zu fertigen ist, korrosionsfest ist, großen Drucken standhalten kann und außerdem so beschaffen ist, daß die in Wärme umgewandelte Sonnenstrahlung auf kürzestem Wege an die Flüssigkeit abgegeben wird.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß als wesentlichster Bestandteil der Absorbereinheit Hohlfasern, insbesondere solche aus Glas, verwendet werden. Die Hohlfasern werden von einer Flüssigkeit durchströmt, welche die absorbierte Wärme abführt. Die Hohlfasern werden vorzugsweise ein- oder mehrlagig so angeordnet, daß sie eine geschlossene dicht überdeckende Fläche bilden.

Diese flächige Anordnung kann selbsttragend sein, indem die Fasern miteinander verbunden sind (verklebt, verwirkt etc.). Ebensogut kann man die Fasern aber auch auf einem Träger anordnen.

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Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten, um die Sonnenstrahlung zu absorbieren und auf die in den Fasern strömende Flüssigkeit

zu übertragen:

Zum einen kann man die Hohlfasern in so innigen Kontakt mit der geschwärzten Absorberfläche bringen, daß praktisch eine

ideale Wärmeübertragung erreicht wird;

man kann andererseits auch die Hohlfasern direkt schwärzen

oder das Grundmaterial der Fasern schwarz einfärben.

Eine weitere Möglichkeit ist es, transparente Hohlfasern zu benutzen und die in ihnen strömende Flüssigkeit schwarz einzufärben*

Hohlglasfasern erfüllen in nahezu idealer Weise die oben genannten Forderungen:

Sie sind äußerst wirtschaftlich herzustellen, sie sind als unbegrenzt korrosionsfest zu bezeichnen, sie sind - je nach Glastyp — bis zu Temperaturen von weit über 400° C zu benutzen,

sie widerstehen Innendrücken von weit mehr als 1OO atü, und sie können so angeordnet werden, daß die Wärmeübertragung von dem Absorber bis zum Flüssigkeitsstrom auf kürzestem Wege erfolgt.

Von besonderem Vorteil ist, daß es ohne Schwierigkeiten möglich ist, beim Herstellungsprozeß der Hohlfasern eine Schicht auf die Fasern aufzubringen, welche langwellige Infrarot-Strahlung sehr stark reflektiert. Die Wärmeverluste durch Strahlungsaustausch werden auf diese Weise stark unterdrückt.

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Besteht der Absorber aus Glasmaterial, dann ist es einfacher als bislang, einen Ällglassammler zu bauen, der obendrein auch evakuiert sein kann (Unterdrückung der Wärmeverluste durch¹.· Leitung und Konvektion?. Bei evakuierten Sammlern herkömmlicher Bauart ist es nämlich schwierig, gegen den äußeren Atmosphären— druck abzudichten. Ällglassanimier dagegen kann man nach Evakuierung materialgerecht verschmelzen oder durch Glaslot verbinden.

Die parallel nebeneinander, einlagig oder mehrlagig angeordneten Hohlfasern werden an den gegenüberliegenden Öffnungen zu größeren Einheiten verbunden. Man kann sie hierfür in Sammelkanäle einkleben oder einschmelzen. Ebensogut kann man auch eine Vielzahl von Hohlfasern zu einem größeren Bündel zusammenfassen und in ein Rohr einschmelzen oder -kleben.

Die Herstellung der Kapillaren (Hohlf asern) hat sowohl im technologischen als auch im wirtschaftlichen Sinn Einfluß auf die Anwendbarkeit. Aus diesen Gründen werden die Kapillaren je nach Anwendungsfall direkt aus der Glasschmelze in der Dimension (äußerer Durchmesser) von 15O ,um bis zu 3 mm mit inneren Durchmessern von 1OO ,um bis. 2,5 mm produziert. Derartig hergestellte Kapillaren sind äußerst druckstabil und können bis zu einer Innendruckbelastung von 25O bar eingesetzt werden. Die Dimensionen richten sich nach dem Anwendungsfall, d.h. nach der abzuleitenden Energiemenge, die bei nahezu 1OO % der eingestrahlten Energie liegen sollte. Zur Abführung dieser Energie benötigt man bei Vermeidung von zu starker Erwärmung (Ä.T max. 5 %) eine bestimmte Wassermenge. Die Durchströmung der Kapillaren darf nur mit einem praktikablen Druckabfall verbunden sein, so daß die Anpassung über den Kapillarinnendurch— messer erfolgen muß.

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Die Kapillaren bieten dabei den Vorteil, daß sie äußerst zugfest sind (ca. 300 kp/mirr) , so daß die Trägerplatte verstärkt wird. Weiterhin halten die Kapillaren einem hohen Innendruck stand, so daß, um überhitzung zu vermeiden, eventuell dem Sammler parallel ein By-Pass-Rohr geschaltet werden kann, durch das bei zu hoher Erwärmung des Gesamtsystems die Flüssigkeit weiterhin im Kreislaufsystem gepumpt werden kann. Ein Brechen der Glaskapillaren durch den bei weiterer Einstrahlung entstehenden Überdruck erfolgt nicht.

Bevor die Erfindung an Hand einiger Beispiele genauer beschrieben wird, soll noch einmal auf den Vorteil eingegangen werden, der darin besteht, daß die absorbierte und in Wärme umgewandelte Strahlung bei dem Hohlfaser-Absorber ohne Umwege dem wärmeabführenden .Medium zugeführt wird.

Figur 1 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau des Absorbers eines Flachkollektors:

Eine Sonnenstrahlung absorbierende Platte 1 leitet die Wärme zu Rohren 2, welche in engem Kontakt mit der absorbierenden Platte stehen. Diese Rohre sind durch ein wärmeleitendes Medium 3 mit der Platte verbunden. In den Rohren strömt das wärmeabführende Medium 4. Die Rohre sind im Abstand W voneinander angeordnet. Es ist üblich, für Flachkollektoren einen sogenannten "FIN - EFFICIENCY FACTOR" F zu definieren.⁺'

+) Siehe z.B. SOLAR ENERGY THERMAL PROCESSES, JOHN WILEY & SONS New York, London, Sydney, Toronto (Duffie, Beckman) 1974

709832/0384 ·

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W Abstand zwischen zwei Rohren

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K Wärmeleitfähigkeit der Absorberplatte

S Dicke der Absorberplatte

F gibt an, um welchen Faktor weniger die betreffende Absorberkonstruktion "sammelt", verglichen mit einer, bei der der Rohrabstand sehr klein wird, d.h. daß die Rohre dicht an dicht liegen.

Es ist außerdem zweckmäßig, einen sogenannten "COLLECTOR EFFICIENCY FACTOR" F¹ zu definieren.⁺*

U_L D+[(W-D) F] K_b · b/γ

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K. = Wärmeleitfähigkeit des Verbindungsmaterials

b = Breite der Verbindung zwischen Rohr und. Platte

γ s= Durchschnittliche Dicke der Verbindung

Di = Innendurchmesser der Röhren

h_F . = Wärmeübergangszahl zwischen Flüssigkeit und Rohrinnenwand

F¹ gibt an, um welchen Faktor weniger die betreffende Absorberkonstruktion "sammelt", verglichen mit einer, bei der die wärmeabführende Flüssigkeit direkt unter der schwarzen Absorberplatte strömen würde.

Je näher F und F¹ an 1 liegen, umso besser ist ihr Sammeln.

In den Tabellen 1 bis 3 sind einige typische Beispiele für F und F¹ berechnet. Der Wärmeverlustkoeffizient U_r der

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transparenten Abdeckung wurde variiert.

Ü_T = 7 W/m K entspricht einer Einscheibenabdeckung ohne jede selektive Beschichtung (weder auf dem Absorber, noch auf der Abdeckscheibe), bei einer mittleren Absorbertemperatur von 60 C und einer Windgeschwindigkeit von 5 m/sec.

I ss 4 w/m K entspricht einer Zweischeibenabdeckung bei

sonst gleichen Bedingungen.

TCI832/03U

U, = 2 W/m K hätte man bei einer Zweischeibenabdeckung, wobei der schwarze Absorber so beschichtet ist, daß langwelliges IR nur wenig abgestrahlt wird (ε = 0,1), für eine mittlere Absorbertemperatur von 80 C und Windstille.

Beim Hohlfaser-Absorber (Tab. 1) schrumpft W praktisch zu Null und man sieht, daß F und F¹ nahezu 1 werden.

Betrachtet man einen Absorber aus Edelstahl (Tab. 2}_r dann erkennt man, daß F bei transparenten Abdeckungen mit hohem Wärmeverlustkoeffizienten sehr klein wird. Nur bei Abdeckungen mit kleinem U₁. wäre also der Einbau eines solchen Absorbers vertretbar.

In Tabelle 3 ist ein Absorber aus Aluminium beschrieben. Auch hier sind F und F¹ deutlich kleiner als beim Hohlfaser absorber. Die nachstehenden Beispiele erläutern die Erfindung:

Beispiel 1

Es wurde ein Sammler hergestellt, indem Glaskapillaren von 1 mm Außendurchmesser und 0,8 mm Innendurchmesser in Längen von 1 m dicht mit einer einseitig schwarz gefärbten Glasscheibe verklebt

2
wurden. Insgesamt wurden pro m Sammierflache 990 Kapillaren verwendet. Die extrem geringen Hohlräume und die Rückseite der Kapillaren wurden ebenfalls schwarz eingefärbt. Die gesamte Platte wurde gut isoliert und mit einer Einfachabdeckscheibe mit*nur 15 mm Luftzwischenraum zum Absorber versehen eingebaut. Der Wirkungsgrad dieser Anordnung wurde bestimmt. Bei einer Umlaufgeschwindigkeit des wärmetransportierenden Wassers von 180 l/h

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und einer eingestrahlten Wärmemenge von 620 W/m trat eine Temperaturerhöhung von 0,70° C pro m Sammlerfläche und Betriebsstunde ein. Die Temperatur der durchströmenden Flüssigkeit betrug dabei 60° C bei 10° C Außentemperatur. Der Druck-

_2 abfall über die Kapillaren betrug dabei 3,5 χ 10 bar. Bex Reihen- bzw. Parallelschaltung war das Verhalten erwartungsgemäß. Die Energieaufnahme war porportional der angebotenen Oberfläche. Der Druckabfall war proportional der Kapillarlänge bei der Reihenschaltung; bei der Parallelschaltung war er umgekehrt proportional der Anzahl der Sammlerplatten.

Beispiel 2

Es wurde dieselbe Anordnung wie in Beispiel 1 benutzt, nur daß die Dimensionen der Kapillaren verändert wurden, um die Anordnung stabiler zu gestalten. Die Kapillaren hatten 150 ,um Außendurchmesser und 100 ,um Innendurchmesser. In diesem Fall war die Außentemperatur 10° C, während die Temperatur der einströmenden Flüssigkeit 25° C betrug.

Der Wirkungsgrad des Sammlers liegt in diesem Falle höher, so daß eine Temperaturerhöhung von 2° C pro m Sammlerfläche und Betriebsstunde auftrat. Der Druckabfall betrug in diesem Falle 28 bar, d.h. der Absorbereinheit muß eine Druckerhöhungspumpe vorgeschaltet werden. Dieser Nachteil wird durch eine Zugfestig-

2
keit der Kapillaren von 270 kp/mm kompensiert, so daß auch große Glasflächen ohne besondere Unterstützung auf einem Dach direkt als Dachabdeckung verwendet werden können. Die hohe Zugfestigkeit der Kapillaren erlaubt außerdem, den Sammler bei maximaler Wärmeaufnahme des Wärmespeichers durch ein Kontaktventil und einen By-Pass auszuschalten, ohne daß durch den in den Kapillaren bei weiterer Wärmeaufnahme entstehenden überdruck ein Bruch der Kapillaren zu befürchten ist.

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Beispiel 3

Die Kapillaren, wie in Beispiel 2 beschrieben, wurden in den evakuierten Raum zwischen zwei mit Lotglas verschmolzenen Glasscheiben frei, nur am Rande mit dem Sammler verschmolzen, angeordnet. Die aus dieser Sandwichanordnung herausragenden Kapillaren wurden zusammengefaßt in eine Sammelrohr geleitet. Die Versuchsbedingungen entsprachen Beispiel 1.

Bei einer solchen Anordnung verringert sich der Verlustfaktor auf ein Minimum, so daß selbst bei großer Temperaturdifferenz zwischen Außentemperatur und Temperatur des durchströmenden Wassers eine

Temperaturerhöhung pro m Sammlerfläche und Betriebsstunde von

2,3° C erreicht wurde.

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Claims

Patentansprüche

./ Sonnenenergiesanimier, dadurch gekennzeichnet, daß seine Absorbereinheit im wesentlichen aus Hohlfasern aufgebaut ist, durch welche ein wärmeabführendes Medium strömt.
2. Sammler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Hohlfasern zugleich die absorbierende Fläche des Sammlers bilden.
3. Sammler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Hohlfasern miteinander verbunden sind und eine geschlossene Fläche bilden.
4. Sammler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Hohlfasern durch dünne Fäden zu einer geschlossenen Fläche zusammengehalten sind.
Sammler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Hohlfasern auf einer Trägerfläche angeordnet sind.
6. Sammler nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlfasern mit einer die Sonnenstrahlung absorbierenden Schicht belegt sind.
7. Sammler nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlfasern aus einem Material bestehen, welches die Sonnenstrahlung weitgehend absorbiert.

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8. Sammler nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlfasern für Sonnenstrahlung transparent sind, das wärmeabführende Medium dagegen die Sonnenstrahlung absorbiert.
Sammler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Hohlfasern aus Glas bestehen und in ein Kollektorgehäuse, welches ebenfalls aus Glas gefertigt ist, dergestalt eingeschmolzen sind, daß eine vakuumdichte Verbindung zwischen Gehäuse und Hohlfasern besteht, wobei vorzugsweise das Gehäuse, das Verbindungsmaterial und die Hohlfasern aus einem thermisch und mechanisch angepaßten Glas bestehen.
10. Sammler nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlfasern aus Glas bestehen.
11. Sammler nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlfasern aus Metall bestehen.
12. Sammler nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlfasern aus einem Kunststoff bestehen.
13. Sammler nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlfasern einen langwellige IR-Strahlung reflektierenden Belag tragen, der vorzugsweise direkt beim Herstefllungsprozeß der Hohlfasern aufgebracht worden ist.
14. Sammler nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß diese Hohlfasern Außendurchmesser zwischen 0,15 - 3 mm und Innendurchmesser zwischen 0,1 - 2,5 mm haben.

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