DE2635262C2 - Sonnenkollektor mit einer evakuierten Abdeckung - Google Patents

Sonnenkollektor mit einer evakuierten Abdeckung

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Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Sonnenkollektor mit einem 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 wenigstens einem verschlossenen und evakuierten transparenten Abdeckrohr 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 Transportmed'um, z. B. Wasser oder Luft, e>o austauschen. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades sollen Sonnenkollektoren nach Möglichkeit folgende Eigenschaften besitzen:
a) hohe Absorption (Absorptionsvermögen <x £ 0,9) b5 im gesamten Spektralbereich des Sonnenlichtes (λ = 0,3 bis 2 μίτι),
b) geringe Emission (Emissionsvermögen ε S 0,3) im
Bereich der Wärmestrahlung (A = 3 bis 30 μιτι),
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 30μτη) reflektierende Schicht mit einem Emissionsvermögen ε ί 0,3 und einem Reflexionsvermögen für Wärmestrahlung R > 0,7 (ε = \ — R) Derartige selektive wärmereflektierende Schichten können aus Gold, dotiertem Zinndioxyd oder vorzugsweise aus mit Zinn dotiertem Indiumoxyd bestehen.
Bei nicht-selektiven Absorbern ist α = ε £ 0,85. Sie bestehen z. B. aus schwarzem Glasemail.
Selektive Absorber besitzen für Sonnenlicht (0,3 bis 2 μιτι) ein Absorptionsvermögen α i£ 0,85 und für Wärmestrahlung (3 bis 30 μιτι) ein Emissionsvermögen ε < 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.
Es sind Sonnenkollektoren eingangs erwähnter Art bekannt, bei denen in ein evakuiertes Abdeckrohr aus Glas ein U-förmiger Wärmetauscher mit Absorber eingeschmolzen ist (»Funkschau«, 1975, Heft 16, S. 20). Ferner sind Sonnenkollektoren bekannt, bei denen ein flacher Wärmetauscher mit Absorber durch eine Anzahl neben- und aneinanderliegender evakuierter Glasrohre abgedeckt ist (US-PS 18 01 710).
Aus der DE-OS 22 28 444 sind Wärmespeicher mit einem zum Speichern von Wärme geeigneten Material mit einem Schmelzpunkt zwischen 400 und 850°C bekannt. Durch Zufuhr von Wärme mittels elektrischer Heizung wird dieses Material geschmolzen. Die gespeicherte Wärme wird je nach Bedarf an die Umgebung abgegeben, wobei das Speichermaterial wieder erstarrt. Die Wärme fließt hier also stets nur in einer Richtung, nämlich vom Speichermaterial zur Umgebung. Bei diesem bekannten Wärmespeicher ist zur Änderung des Wärmewiderstandes einer das Speichermaterial umgebenden Vakuumwandung eine reversible Wasserstoffquelle vorgesehen, welche die für Wärmespeicher bestimmungsgemäß vorgesehene Wärmeabgabe an die Umgebung steuert.
Völlig anders arbeitet dagegen ein Sonnenkollektor. Dieser fängt die von der Sonne abgegebene Strahlung auf und wandelt sie in einem Absorber in Wärme um. Diese Wärme wird über einen Wärmetauscher an ein fluides Transportmedium abgegeben, welches die Wärme zu ihrem Verbrauchsort führt. Wenn bei derartigen hocheffizienten Sonnenkollektoren die Wärme von dem Absorber und/oder dem Wärmetauscher nicht abgeführt werden kann, z. B. bei Stromausfall der Wasserpumpe, oder wenn z. B. im Sommer der Energiegewinn des Sonnenkollektors den Energiebedarf sowie die Speicherkapazität der Anlage übersteigt, kann die Temperatur des Absorbers und/oder des Wärmetauschers übermäßig ansteigen, wobei Temperaturen von über 200°C auftreten können, welche zu einer Zerstörung des Sonnenkollektors führen. Es muß daher dafür gesorgt werden, daß der Sonnenkollektor eine bestimmte kritische Temperatur nicht überschreitet. Dies könnte z. B. durch eine mechanische Abdeckung
des Sonnenkollektors geschehen. Eine solche Abdekkung ist aber aufwendig und benötigt eine dauernde Wartung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sonnenkollektor zu schaffen, dessen Wämeverluste mit einfachen Mitteln regelbar sind, so daß der Absorber und der Wärmetauscher eine definierte Temperatur nicht überschreiten. Unter Wärmeverlusten sind hier Strahlungsverluste und Verluste durch Wärmeleitung und Konvektion zu verstehen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Sonnenkollektor eingangs erwähnter Art dadurch gelöst, daß im Abdeckrohr eine reversible Wasserstoffquelle untergebracht ist, die bei einer zu hohen Temperatur des Absorbers und/oder des Wärmetauschers von außen erhitzbar ist
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sich der Verlustfaktor eines Sonnenkollektors, d. h. dessen Wärmeverluste, beträchtlich erhöhen, wenn die evakuierte Abdeckung mit einem Gas hoher W?-meleitfähigkeit bis zu einem Druck von einigen lOmbar gefüllt wird. In diesem Fall kann der Sonnenkollektor in kritischen Situationen eine bestimmte Temperatur nicht überschreiten.
Als Füllgas dient Wasserstoff, da seine thermische Leitfähigkeit λ die aller anderen Gase deutlich übersteigt
(λ H2100°C = 2110 μW/cmoC;
λ Luft 100°C = 314 μW/cmoC).
Zum Beispiel besitzen einige Metallhydride die Eigenschaft, bei höheren Temperaturen Wasserstoff freizusetzen, der beim Abkühlen vollständig reabsorbiert wird. Bringt man also eine kleine Menge eines Metallhydrids in eine Vakuumabdeckung, so kann durch Erhitzen des Hydrids die Abdeckung mit Wasserstoff gefüllt und so der Verlustfaktor erhöht werden. Beim Abkühlen des Hydrids wird Wasserstoff absorbiert und das Hochvakuum wieder hergestellt.
Vorzugsweise enthält daher die reversible Wasserstoffquelle ein Wasserstoff abgebendes und wieder aufnehmendes Material, das in einem Behälter untergebracht ist, der eine Heizvorrichtung besitzt. Zweckmäßigerweise ist die Heizvorrichtung als elektrisches Heizelement ausgebildet, dessen Anschlüsse durch das Abdeckrohr nach außen geführt sind.
Das Wasserstoff abgebende und wieder aufnehmende Material kann aus einem Metall aus den durch Titan, Zirkon, Hafnium, Lanthan, Cer und andere Seltene Erden, Strontium, Barium, Vanadium, Niob, Tantal, Thorium und Legierungen und Gemischen dieser Metalle gebildeten Gruppen in partiell hydriertem Zustand bestehen. Derartige Wasserstoffquellen sind an sich aus den DE-OS 20 03 749 und 22 28 444 bekannt.
Besonders günstige Eigenschaften besitzen die Hydride der Elemente Zirkon und Titan, da sie schon bei relativ niedrigen Temperaturen, z. B. 200 bis 5000C, einen ausreichenden Wasserstoffdruck von 01, bis zu einigen zehn mbar liefern und bei Temperaturen unter 200°C den Wasserstoff auf Drücke unter 10-3mbar gettern.
Die Hydride werden vorzugsweise nicht in stöchiometrischer Zusammensetzung, wie z. B. ZrH2 oder TiH2, eingesetzt, sondern mit einem Defizit von Wasserstoff, z. B. ZrH]1) oder TiHm. Auf diese Weise wird erreicht, daß bei den Arbeitstemperaturen des Sonnenkollektors nicht nur der Wasserstoffdruck unter 10-3mbar gehalten wird, sondern d3ß auch eine zusätzliche Getterkapazität für andere gasförmige Verunreinigungen gegeben ist. Bei Verwendung von Zirkonhydrid erübrigt sich somit das sonst erforderliche Barium-Getter. Die Unterstöchiometrie wird durch Erhitzen des Hydrids und Abpumpen einer difinierten Menge Wasserstoff vor dem Schließen des Abdeckrohres eingestellt
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungrbeispiels näher ίο erläutert
F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Sonnenkollektor nach der Erfindung und
Fig. 2 einen Schnitt durch den bei dem Sonnenkollektor nach F i g. 1 verwendeten Behälter mit einer reversiblen Wasserstoffquelle.
Der Sonnenkollektor nach F i g. 1 besitzt mehrere neben- und aneinanderliegende Abdeckrohre 1 aus Glas, von denen im Längsschnitt nur eines dargestellt ist. Die Abdeckrohre 1 haben einen runden Querschnitt, sind stirnseitig verschlossen und auf einen Restgasdruck von weniger als 1 mbar evakuiert; sie sind auf ihrer Innenseite im unteren Querschnittsbereich über einen Winkel von maximal 180° mit einer selektiven Absorberschicht 2, aus z. B. Nickel- bzw. Kupferoxyd auf einer Metallunterlage aus Silber, Kupfer oder Aluminium, bedeckt. Bei Verwendung einer nicht selektiven Absorberschicht 2 können die Abdeckrohre 1 auf ihrer Innenseite mit einer selektiven wärmereflektierenden Schicht, z. B. aus mit Zinn dotiertem «> !ndiumoxyd, bedeckt werden. Zwei flache Reflektoren 3 erstrecken sich an den Enden des zylindrischen Bereiches der Abdeckrohre 1 quer zur Rohrachse und können aus mit Aluminium bedampftem Glimmer bestehen.
r> Die Abdeckrohre 1 liegen unmittelbar auf einem Wärmetauscher 4, der vorzugsweise ein dem Umfang der Abdeckrohre 1 angepaßtes Wellenprofil mit integrierten Leitungskanälen für ein Wärmetransportmedium, z. B. Wasser, aufweist. Rückseitig ist der Wärmetauscher 4 durch einen Isolierstoff 5, z. B. aus Steinwolle, wärmeisoliert.
In jedem der Abdeckrohre 1 ist eine reversible Wasserstoffquelle 6 untergebracht, die einen mit einem Wasserstoff abgebenden und wieder aufnehmenden Material 8 gefüllten Behälter 7 mit einem Inhalt von etwa 1 cm3 Inhalt aufweist, der mit durchlässigen Wänden, z. B. in Form feiner Metallsiebe, versehen ist. Das Wasserstoff abgebende und wieder aufnehmende Material 8 besteht aus einem Metallhydrid, z. B. aus 1 g Zirkonhydrid ZrH|,9. In dem Behälter 7 ist ferner ein elektrisches Heizelement 9 von z. B. 5 W untergebracht, dessen Anschlüsse 10 durch das Abdeckrohr 1 nach außen geführt sind.
In kritischen Fällen, d. h. bei Gefahr von unzulässigen Temperaturüberschreitungen, kann durch Anlegen einer geringen Spannung, z. B. einer Batteriespannung von 6 oder 12 V, an die Anschlüsse 10 des Heizelementes 9 das Zirkonhydrid auf etwa 5000C erhitzt werden, so daß sich das Abdeckrohr 1 mit Wasserstoff von einigen Torr Druck füllt. Schaltet man die Spannung wieder ab, so wird durch Reabsorption von Wasserstoff der Vakuumdruck von 10~4 mbar wieder hergestellt.
Wenn die Sonnenkollektoren nach der Erfindung im Winter mit Schnee bedeckt sind, kann durch Aufheizen b) des Metallhydrids die Wärmeleitfähigkeit derart ansteigen, daß durch Wärmezufuhr aus dem Kollektorsystem der auf den Abdeckrohren befindliche Schnee zum Schmelzen gebracht wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Sonnenkollektor mit einem 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 Abdekkung, die aus wenigstens einem verschlossenen und evakuierter, transparenten Abdeckrohr besteht, dadurch gekennzeichnet, daß im Abdeckrohr (1) eine reversible Wasserstoffquelle (6) untergebracht ist, die bei einer zu hohen Temperatur des Absorbers (2) und/oder des Wärmetauschers (4) von außen erhitzbar ist.
2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reversible Wasserstoffquelle (6) ein Wasserstoff abgebendes und wieder aufnehmendes Material (8) enthält, das in einem Behälter (7) untergebracht ist, der eine Heizvorrichtung (9) besitzt.
3. Sonnenkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (9) als elektrisches Heizelement ausgebildet ist, dessen Anschlüsse (10) durch das Abdeckrohr (1) nach außen geführt sind.
4. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserstoff abgebende und wieder aufnehmende Material (8) aus einem Metall aus den durch Titan, Zirkon, Hafnium, Lanthan, Cer und andere Seltene Erden, Strontium, Barium, Vanadium, Niob, Tantal, Thorium und Legierungen und Gemischen dieser Metalle gebildeten Gruppen in partiell hydriertem Zustand besteht.
5. Sonnenkollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserstoff abgebende und wieder aufnehmende Material (8) gegenüber seiner stöchiometrischen Zusammensetzung ein Defizit an Wasserstoff aufweist.
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