DE2615475C3

DE2615475C3 - Sonnenkollektor mit einer Abdeckung aus evakuierten Rohren

Info

Publication number: DE2615475C3
Application number: DE2615475A
Authority: DE
Inventors: Richard Dr. 5100 Aachen Bruno; Wilhelm Dipl.-Phys. Dr. Hermann; Horst Dipl.-Phys. Dr. 5106 Roetgen Hoerster; Reinhard Dipl.-Phys. Dr. Kersten; Klaus Ing.(Grad.) Klinkenberg; Faramarz Dipl.-Phys. Dr. 5100 Aachen 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: 1984-05-03
Also published as: DE2615475A1; DE2615475B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sonnenkollektor mit einem festen selektiven Sonnenlichtabsorber, der 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 einzelner, neben- und aneinanderliegender, verschlossener und evakuierter transparenter Rohre mit rundem Querschnitt 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 Stratv l'jngssprektrums 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 (λ = 0,3 bis 2 μπι)

b) geringe Emission (Emissionsvermögen ε<03) im Bereich der Wärmestrahlung (λ=3 bis 30 μπι)

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 μιτι) transparente und für Wärmestrahlung (3 bis 30 μπι) reflektierende Schicht mit einem Emissionsvermögen ε<0,3 und einem Reflexionsvermögen für Wärmestrahlung Ä>0,7 (ε=1 — R). Derartige selektive wärmereflektierenden Schichten können aus Gold, dotiertem Zinndioxyd oder vorzugsweise aus mit Zinn dotiertem Indiumoxyd bestehen.

Bei nicht-selektiven Absorbern ist *=ε>0,85. Sie bestehen z. B. aus schwarzem Glasemail.

Selektive Absorber besitzen für Sonnenlicht (0,3 bis 2 μη) ein Absorptionsvermögen λ > 0,85 und für Wärmestrahlung (3 bis 30 μιη) ein Emissionsvermögen ε<0,15. Derartige selektive Absorber können z.B. als Schicht aus Nickel- bzw. Kupferoxyd oder Kobaltsulfid auf piner 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 (Tagungsbericht »Heizen mit Sonne« der deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie vom Febr. 1976) 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 dem Wärmetauscher eindringt. Außerdem kann die zwischen Wärmetauscher und den Glasrohren befindliche aufgeheizte Luft zwischen den Glasrohren entweichen, was zu Wirkungsgradverlusten führt. Ein weiterer Nachteil dieses Kollektors ist die niedrige Durchlässigkeit für Sonnenlicht, die durch Reflexionsverluste an vier Grenzflächen der Glasrohre hervorgerufen wird.

Aus der US-OS 5 12 745 ist ein als Flachglasbauelement für Häuser ausgebildeter Sonnenkollektor bekannt, der aus mehreren Lagen von nebeneinanderliegenden Hohlkammern mit rechteckigem Querschnitt besteht, von denen die nach außen weisenden Hohlkammern evakuiert sind. Die darunter liegenden Hohlkammern sind mit einer schwarzen Flüssigkeit gefüllt, welche die aufgenommene Sonnenwärme an das Wärmetransportmedium in einer weiteren Lage von rechteckigen Kammern weitergibt. Ein solches Bauelement läßt sich mit vertretbaren Mitteln nicht herstellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach und billig herstellbaren hocheffizienten Sonnenkollektor mit einer Yakuumisolation aus mehreren evakuierten Rohren zu schaffen, der «.ich durch einen möglichst hohen Wirkungsgrad auszeichnet, der staubdicht und regenfest ist und bei dem das zwischen den Abdeckrohren und dem Wärmetauscher befindliche Luftvolumen möglichst gering gehalten wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Sonnenkollektor eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die transparenten Abdeckrohre den selektiven Absorber als Schicht auf der Innenseite der unteren Hälfte der Abdeckrohre enthrJten und in diesem Bereich mit dem Wärmetauscher unmittelbar 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 I Interseite der Abdeckrohre angepaßt, wodurch ein optimaler Wärmeübergang zwischen den Abdeckrohren und dem Wärmetauscher trreicht wird. Durch das Aufbringen der Absorberschicht auf die Innenseite der Abdeckrohre wird die einfallende Sonnenstrahlung nur an zwei Grenzflächen der Abdeckrohre reflektiert, wodurch sich die Durchlässigkeit der Abdeckung erhöht

Zweckmäßigerweise besitzt der Wärmetauscher ein teilkreisförmiges Wellenprofil zur Aufnahme der Abdeckrohre und steht mit Rohrleitungen bzw. Leitungskanälen für das Wärmetransportmedium in 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 rinnen- oder wellenförmigen 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.

Zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades des Sonnenkollektors 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 zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch einen Sonnenkollektor nach der Erfindung, und

F i g. 2 einen weiteren Sonnenkollektor in perspektivischer Darstellung.

Der in F i g. 1 dargestellte Sonnenkollektor besitzt mehrere neben- und aneinanderliegende transparente Abdeckrohre 1 aus Glas mit rundem Querschnitt die stirnseitig verschlossen und auf einen Restgasdruck von weniger als 1 mbar evakuiert sind. Die Abdeckrohre 1 sind auf ihrer Innenseite im Bereich des unteren Halbzylinders mit einer Absorberschicht 10 in Form eines schwarzen Anstriches, z. B. aus Glasemail, bedeckt und liegen auf einem Wärmetauscher 8, der ein teilkreisförmiges Wellenprofil aufweist und z. B. aus dünnem Aluminium, Kupfer oder verzinktem Eisenblech besteht Rückseitig sind an diesem Wärmetauscher 8 Rohrleitungen 9 für das Wärmeiransportmedium, z. B. Wasser, durch Kleben, Löten oder Schweißen angebracht Das Ganze ist in einem Wärmeisolierstoff 6 eingebettet Die evakuierten Abdeckrohre 1 sind in die Wellenprofile des Wärmetauschers 8 eingelegt insbesondere eingeklebt Sie sind ferner wenigstens auf dem absorberfreien Teil ihrer Innenseite mit einer selektiven wärmereflektierenden Schicht 11 aus z. B. dotiertem In₂O₃bedeckt

Der Sonnenkollektor nach F i g. 2 weist einen Wärmetauscher 12 auf, der aus einem dünnen, mit teilkreisförmigen Vertiefungen 13 versehenen doppelwandigen Hohlkörper 17 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 17 sind evakuierte Abdeckrohre 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. Diese Schicht kann entweder unmittelbar auf die Abdeckrohre oder auf die im Rohrinneren vorgesehene Absorberschicht aufgebracht werden.

Da die transparenten Abdeckrohre 1 aus Glas 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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Sonnenkollektor mit einem festen selektiven Sonnenlichtabsorber, der 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 einzelner, neben- und aneinanderliegender, verschlossener und evakuierter transparenter Rohre mit rundem Querschnitt besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die transparenten Abdeckrohre (1) den selektiven Absorber (10 bzw. 15) als Schicht auf der Innenseite Jer unteren Hälfte der Abdeckrohre (1) enthalten und in diesem Bereich mit dem Wärmetauscher (8 bzw. 12) unmittelbar in großflächigem Berührungskontakt stehen.

2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (8) ein teilkreisförmiges Wellenprofil aufweist und mit Rohrleitungen (9) bzw. Leitungskanälen für das Wärmetransportmedium in Verbindung steht

3. Sonnenkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher ein stranggepreßtes Wellenprofil mit integrierten Leitungskanälen für das Wärmetransportmedium besitzt

4. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (12) aus einem dünnen, mit rinnen- oder wellenförmigen Vertiefungen (13) versehenen doppelwandigen Hohlkörper (17) besteht, in dessen Inneren das Wärmetransportmedium fließt.

5. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckrohre (1) mit dem Wärmetauscher (8 bzw. 12) mit Hilfe eines Klebstoffes verbunden sind.

6. Sonnenkollektor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckrohre (1) wenigstens auf dem absorberfreien Teil ihrer Innenseite mit einer selektiven wärmereflektierenden Schicht (11) bedeckt sind.