DE2615475A1

DE2615475A1 - Sonnenkollektor mit einer abdeckung aus evakuierten rohren

Info

Publication number: DE2615475A1
Application number: DE19762615475
Authority: DE
Inventors: Richard Dr Bruno; Wilhelm Dipl Phys Dr Hermann; Horst Dipl Phys Dr Hoerster; Reinhard Dipl Phys Dr Kersten; Klaus Ing Grad Klinkenberg; Faramarz Dipl Phys Dr Mahdjuri
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1976-04-09
Filing date: 1976-04-09
Publication date: 1977-10-13
Also published as: DE2615475B2; DE2615475C3

Description

Sonnenkollektor mit einer Abdeckung aus evakuierten Rohren
Die Erfindung bezieht sich auf einen Sonnenkollektor mit einem Sonnenlichtabsorber, der mit einem Wärmetauscher zur Ubertragung der durch Sonnenstrahlung erzeugten Wärme auf ein fluides Transportmedium zusammenwirkt, und einer den Absorber und Wärmetauscher gegenüber der Außenatmosphäre wärmeisolierenden Abdeckung, die aus einer Anzahl neben- und aneinanderliegender, verschlossener und evakuierter transparenter Rohre besteht.
Ein Sonnenlichtabsorber, im folgenden nur Absorber genannt, absorbiert die Sonnenstrahlung und wandelt diese in Wärme um.
Unter einem solchen Absorber ist auch eine sonnenlichtabsorbierende Schicht zu verstehen.
Sonnenkollektoren sollen den Hauptteil des Strahlungsspektrums des Sonnenlichtes in Wärme umwandeln und diese mit möglichst hohem Wirkungsgrad an ein fluides Transportmedium, z.B. Wasser oder Luft, 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 /Um) b) geringe Emission (Emissionsvermögen c -< 0,3) im Bereich der Wärmestrahlung ( l = 3 bis 30 /um) c) geringe Wärmeverluste durch Wärmeleitung und Konvektion d) geringe thermische Kapazität In diesem Zusammenhang versteht man unter einer selektiven wärmereflektierenden Schicht eine für Sonnenlicht (0,3 bis 2 /um) transparente und für Wärmestrahlung (3 bis 30 tum) reflektierende Schicht mit einem Emissionsvermögen e = 0,3 und einem Reflexionsvermögen für Wärmestrahlung R > 0,7 ( e = l-R). Derartige selektive wärmereflektierenden Schichten können aus Gold, dotiertem Zinndioxyd oder vorzugsweise aus mit Zinn dotiertem Indiumoxyd bestehen.
Bei nicht-selektiven Absorbern ist a = E 0,85. Sie bestehen z.B. aus schwarzem Glasemail.
Selektive Absorber besitzen für Sonnenlicht (0,3 bis 2 /um) ein Absorptionsvermögen - 0,85 und für Wärmestrahlung (3 bis 30/um) ein Emissionsvermögen e < 0,15. Derartige selektive Absorber können z.B. als Schicht aus Nickel- bzw. Kupferoxyd oder Kobaltsulfid auf einer Metallunterlage (Ag, Cu, Al) hergestellt sein. Außerdem kann ein selektiver Absorber aus einem mit dotiertem Indiumoxyd überzogenen nicht-selektiven Absorber bestehen.
Bei einem bekannten Sonnenkollektor eingangs erwähnter Art ist der mit einer Absorberschicht versehene Wärmetauscher eben ausgebildet und befinden sich die den Wärmetauscher abdeckenden evakuierten Glasrohre in einem gewissen Abstand vom Wärmetauscher. Da es in der Praxis schwierig ist, die neben-und aneinanderliegenden Glasrohre gegeneinander abzudichten, besteht bei dem bekannten Sonnenkollektor die Gefahr, daß Regenwasser und Staub zwischen die Glasrohre und den Wärmetauscher eindringt. Außerdem kann die zwischen Wärmetauscher und den Glasrohren befindliche aufgeheizte Zuft zwischen den Glasrohren entweichen, was zu Wirkungsgradverlusten führt.
Ein weiterer Nachteil dieses Kollektors ist die niedrige Transmission für Sonnenlicht, die durch Reflexionsverluste an vier Grenzflächen der Glasrohre hervorgerufen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sonnenkollektor mit einer Vakuumisolation aus mehreren evakuierten Rohren zu schaffen, der staubdicht und regenfest ist und bei dem sich zwischen den Abdeckrohren und dem Wärmetauscher praktisch keine Luft befindet.
Diese Aufgabe wird bei einem Sonnenkollektor eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Abdeckrohre auf ihrer Unterseite mit dem Absorber und dem Wärmetauscher in großflächigem Berührungskontakt stehen.
Auf diese Weise wird erreicht, daß Absorber und Wärmetauscher mit den Abdeckrohren praktisch eine bauliche Einheit ohne jeglichen Luftzwischenraum bilden. Der Wärmetauscher ist an seiner den Abdeckrohren zugewandten Seite der Form der Unterseite der Abdeckrohre angepaßt, wodurch ein optimaler Wärmeübergang zwischen den Abdeckrohren und dem Wärmetauscher erreicht wird.
Der Absorber kann als Schicht unmittelbar auf der Außenseite der unteren Hälfte der Abdeckrohre aufgebracht sein. Vorzugsweise ist jedoch der Absorber als Schicht auf der Innenseite der unteren Hälfte der Abdeckrohre aufgebracht. Im ersteren Fall wird die einfallende Sonnenstrahlung nur an drei Grenzflächen der Abdeckrohre reflektiert, im letzteren Fall sogar nur an zwei Grenzflächen, wodurch sich die Transmission der Abdeckung erhöht.
Gemäß einer Weiterbildung des Sonnenkollektors nach der Erfindung ist der Wärmetauscher selbst als Wärmeabsorber ausgebildet. In diesem Fall kann der Wärmetauscher entweder aus einem wärmeabsorbierenden Material, z.B. aus einem dunklen Metall oder schwarz eingefärbtem Kunststoff, bestehen oder mit einer wärmeabsorbierenden Schicht bedeckt sein.
Zweckmäßigerweise besitzt der Wärmetauscher ein teilkreisförmiges Wellenprofil zur Aufnahme der Abdeckrohre und steht mit Rohrleitungen für das Warmetransportmedium in direkter Verbindung. Eine besonders einfache Ausführungsform ergibt sich, wenn der Wärmetauscher ein stranggepreßtes Wellenprofil mit integrierten Leitungskanälen für das Wärmetransportmedium besitzt.
Der Wärmetauscher kann auch aus einem dünnen, mit teilkreisförmigen Vertiefungen versehenen doppelwandigen Hohlkörper bestehen, in dessen Inneren das Wärmetransportmedium fließt.
Einen innigen Kontakt zwischen den Abdeckrohren und dem Wärmetauscher erhält man, wenn gemäß der Erfindung die Abdeckrohre mit dem Wärmetauscher mit Hilfe eines Klebstoffes verbunden sind. Vorzugsweise ist der Klebstoff schwarz und dient damit selbst als Absorberschicht. Hierunter sind z.B. auch Stoffe wie Teer, Pech, Asphalt o.dgl. zu verstehen.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Sonnenkollektors verwendet man zweckmäßig einen selektiven Absorber. Aus demselben Grunde sind die Abdeckrohre wenigstens auf dem absorberfreien Teil ihrer Innenseite mit einer selektiven wärmereflektierenden Schicht bedeckt, die sich jedoch vorzugsweise über den gesamten Innenquerschnitt der Abdeckrohre erstreckt. Zur Erhöhung der Transmission kann die selektive wärmereflektierende Schicht mit einer Antireflexionsschicht bedeckt sein, z.B. aus Siliziumoxyd.
Die Erfindung wird nunmehr anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch einen Sonnenkollektor nach der Erfindung in perspektivischer Darstellung, Fig. 2 den bei dem Sonnenkollektor nach Fig. 1 verwendeten Wärmetauscher, Fig. 3 einen Querschnitt durch einen anderen Sonnenkollektor nach der Erfindung und Fig. 4 einen weiteren Sonnenkollektor in perspektivischer Darstellung.
Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Sonnenkollektor besitzt mehrere neben- und aneinanderliegende Glasrohre 1 mit rundem Querschnitt, die stirnseitig verschlossen und auf einen Restgasdruck von weniger als 1 mbar evakuiert sind. Die Glasrohre 1 sind in ihrem zylindrischen Bereich auf ihrer Innenseite vollständig mit einer selektiven wärmereflektierenden Schicht 2, z.B. aus dotiertem In203, bedeckt. Die Glasrohre liegen auf einem Wärmetauscher 3, der aus einem stranggepreßten, dem Rohrumfang angepaßten Wellenprofil mit integrierten Leitungskanälen 4 für ein Wärmetransportmedium, z.BX Wasser, besteht.
Der Wärmetauscher 3 kann z.B. aus extrudiertem Aluminium hergestellt sein mit einer Dicke zwischen 0,5 und 3 mm. Auf seiner rohrseitigen Oberfläche ist der Wärmetauscher 3 mit einer Absorberschicht 5 aus z.B. schwarzem Glasemail bedeckt. Rückseitig ist der Wärmetauscher 3 durch einen Isolierstoff 6 wärmeisoliert, z.B. aus Steinwolle oder schaumartigem Kunststoff.
Die Glasrohre 1 befinden sich mit dem Wärmetauscher 3 in thermischem Kontakt. Sie sind zweckmäßig auf den Wärmetauscher 3 aufgeklebt. Wenn man den verwendeten Klebstoff schwarz einfärbt, kann dieser selbst als Absorberschicht dienen, so daß die schwarze Farbschicht 5 fortfallen kann.
Bei der dargestellten Ausführungsform brauchten die Glasrohre 1 nicht wasserdicht miteinander verbunden zu sein, da im stranggepreßten Wärmetauscher 3 zwischen den Vertiefungen 16 für die Glasrohre 1 Längsrinnen 7 vorgesehen sind, v lche praktisch als Regenrinnen dienen.
Bei dem Sonnenkollektor nach Fig. 3 weist der Wärmetauscher 8 ein teilkreisförmiges Wellenprofil auf und besteht z.B. aus dünnem Aluminium, Kupfer oder verzinktem Eisenblech. Rückseitig sind an diesem Wärmetauscher 8 Rohrleitungen 9 für das Wärmetransportmedium durch Kleben, Löten oder Schweißen angebracht.
Das Ganze ist wiederum in einem Wärmeisolierstoff 6 eingebettet.
In die Wellenprofile des Wärmetauschers 8 sind evakuierte Glasrohre 1 eingelegt, insbesondere eingeklebt, die auf ihrer Innenseite im Bereich des unteren Halbzylinders wlt einer Absorberschicht 10 in Form eines schwarzen Anstriches, z.B. aus Glasemail, bedeckt sind. Die Abdeckrohre 1 sind ferner wenigstens auf dem absorberfreien Teil ihrer Innenseite mit einer selektiven wärmereflektierenden Schicht 11 aus z.B. dotiertem 1n203 bedeckt.
Der Sonnenkollektor nach Fig. 4 weist einen Wärmetauscher auf, der aus einem dünnen, mit teilkreisförmigen Vertiefungen 13 versehenen doppelwandigen Hohlkörper 12 besteht, der in seinem Inneren mit einer Vielzahl von Kanälen 14 für das Wärmetransportmedium versehen ist. Dieser Wärmetauscher kann aus Metallfolien, aus dünnwandigem Kunststoff oder aus Hartasbest bestehen. Er ist wiederum rückseitig mit Isolierstoff 6 abgedeckt.
In die Vertiefungen 13 des Hohlkörpers 12 sind evakuierte Glasrohre 1 in thermischem Kontakt angebracht, z.B. eingeklebt, die auf ihrer Innenseite im Bereich der Hohlkörpervertiefungen 13 mit einer selektiven Absorberschicht 15 bedeckt sind, die z.B.
aus Nickel- oder Kupferoxyd auf einer Metallunterlage aus z.B.
Silber, Kupfer oder Aluminium besteht. Die Innenseite der Glasrohre kann darüber hinaus ganz oder nur auf dem absorberfreien Teil mit einer selektiven wärmereflektierenden Schicht versehen sein.
In allen gezeigten Fällen stehen die Abdeckrohre 1 sowohl mit den Absorberschichten 5, 10 uua 15 als auch mit den Wärmetauschern 3, 8 und 12 in großflächigem Beriilirungskontakt.
Anstelle der nicht-selektiven Innenabsorberschicht 10 kann die Absorberschicht auch auf der Außenseite der Abdeckrohre angebracht sein; jedoch hat die Anbringung auf der Rohrinnenseite den Vorteil, daß die Absorberschicht atmosphärischen Einflüssen entzogen sind. Die selektive wännereflektierende Schicht auf der Rohrinnensei-.e kann entweder unmittelbar auf die Abdeckrohre oder auf die im Rohrinneren vorgesehene Absorberschicht aufgebracht werden.
Da die Glasrohre 1 an ihren Enden zugeschmolzen werden, müssen während dieses Vorgangs ihre domförmigen Stirnflächen frei von jeglicher Beschichtung bleiben. Damit an diesen zunächst freien Stirnflächen keine Strahlungsverluste entstehen, werden diese nach dem Zuschmelzen und Evakuieren der Glasrohre mit einer Innenverspiegelung versehen, indem durch induktive Erhitzung ein an den Enden der Glasrohre angebrachtes Metall verdampft wird und sich auf den Stirnflächen als reflektierender Belag niederschlägt.
Patentansprüche: L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche: 1. Sonnenkollektor mit einem Sonnenlichtabsorber, er mit einem Wärmetauscher zur Übertragung der durch Sonnenstrahlung erzeugten Wärme auf ein fluides Transportmedium zusammenwirkt, und einer den Absorber und Wärmetauscher gegenüber der Außenatmosphäre wärmeisolierenden Abdeckung, die aus einer Anzahl neben- und aneinanderliegender, verschlossener und evakuierter transparenter Rohre besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckrohre (1) auf ihrer Unterseite mit dem Absorber (5 bzw. 10 bzw. 15) und dem Wärmetauscher (3 bzw. 8 bzw. 12) in großflächigem Berührungskontakt stehen.
2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber als Schicht (10 bzw. 15) auf der Innenseite der unteren Hälfte der Abdeckrohre (1) aufgebracht ist.
3. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber als Schicht auf der Außenseite der unteren Hälfte der Abdeckrohre (1) aufgebracht ist.
4. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der latärmetauscher (3 bzw. 8 bzw. 12) selbst als Absorber ausgebildet ist.
5. Sonnenkollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (3) aus einem wärmeabsorbierenden Material besteht.
6. Sonnenkollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (3) mit einer wärmeabsorbierenden Schicht (5) bedeckt ist.
7. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (5 bzw. 8) ein teilkreisförmiges Wellenprofil aufweist und mit Rohrleitungen (4 bzw. 9) für das Wärmetransportmedium in Verbindung steht.
8. Sonnenkollektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (3) ein stranggepreßtes Wellenprofil mit integrierten Leitungskanälen (4) für das Wärmetransportmedium besitzt.
9. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher aus einem dünnen, mit teilkreisförmigen Vertiefungen (13) versehenen doppelwandigen Hohlkörper (12) besteht, in dessen Inneren das Wärmetransportmedium fließt.
10. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckrohre (1) mit dem Wärmetauscher (3 bzw. 8 bzw. 12) mit Hilfe eines Klebstoffes verbunden sind.
11. Sonnenkollektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff schwarz ist und damit selbst als Absorberschicht dient.
12. Sonnenkollektor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (15) selektiv ist.
13. Sonnenkollektor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckrohre (1) wenigstens auf dem absorberfreien Teil ihrer Innenseite mit einer selektiven wärmereflektierenden Schicht (2 bzw. 11) bedeckt sind.