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Absorberrohr
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Die Erfindung betrifft ein Absorberrohr, das in der Brennzone eines
konzentrierenden und dem Sonnenstand nachführbaren Sonnenkollektors angeordnet ist.
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Mit derartigen Kollektoren kann der direkte Anteil der Sonnenstrahlung
in Wärmeenergie umgesetzt werden. Verursacht durch die Energiekrise bzw. die Knappheit
herkömmlicher Energieträger werden Sonnenkollektoren zunehmend für die Heizung von
Gebäuden und die Warmwasserbereitung eingesetzt. Ein entscheidendes Kriterium ihres
wirtschaftlichen Einsatzes ist jedoch der Wirkungsgrad, er kann je nach Strahlungskonzentration
und der Ausführung des Strahlungsbündlers bei 60 % und darüber liegen.
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Es sind bereits mehrere Arten von Sonnenkollektoren bekannt.
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Sie bestehen in der Regel aus einem Strahlungsbündler (Linse, Parabolspiegel),
der automatisch der Sonne nachgeführt wird, so daß seine optische Achse stets in
Richtung der einfallenden Sonnenstrahlung liegt. In der Brennzone des Strahlungsbündlers
(punktförmig oder linienförmig) ist ein schwarzes Absorberrohr angeordnet, das von
einem flüssigen Medium, beispielsweise Wasser durchströmt wird. Dieses Medium dient
der Wärmeübertragung, es wird entweder zu Heizzwecken im Kreislauf geführt oder
direkt verbraucht.
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Der Wirkungsgrad einer solchen Anlage hängt, abgesehen von den üblichen
Isolationsproblemen einerseits von der Güte des Strahlungsbündlers und andererseits
von der Bauart des Absorberrohres ab.
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Man hat versucht, dem Absorberrohr eine schwarze Oberfläche zu geben,
um deren Absorptionsverhältnis dem des idealen schwarzen Körpers" anzunähern (Absorptionsverhältnis
= 1).
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Dies würde bedeuten, daß die auf die Oberfläche fallende Strahlung
vollständig absorbiert wird. Ein solches Verhalten läßt sich jedoch in der Praxis
nicht erreichen, so daß eine technisch schwarze Fläche immer noch einen beträchtlichen
Strahlungsanteil reflektiert.
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Bedingt durch die Bauart eines konzentrierenden Sonnenkollektors wird
das Absorberrohr nicht gleichmäßig mit konzentrierter Strahlung beaufschlagt. Falls
der Strahlungsbündler beispielsweise ein halbzylindrischer Parabolspiegel ist, beträgt
der Winkel im Bogenmaß, der von der verdichteten Strahlung betroffen wird, nicht
viel mehr als 1800. Bei Verwendung einer Linse, wie beispielsweise einer Fresnel'schen
Linse ist dieser Bereich noch kleiner.
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Da die Strahlungsbündler je nach Sonnenstand jedoch eine unterschiedliche
Lage zum Absorberrohr einnehmen und dementsprechend auch unterschiedliche Flächenbereiche
am Umfang des Absorberrohrsueaufschlagen, ergab sich bisher keine Möglichkeit, die
Reflexionsverluste zu verhindern, die durch den nicht mit verdichteter Sonnenstrahlung
beaufschlayten Flächenbereich des Absorberrohres entstehen. Man hat zwar versucht,
auf den Absorberrohren selektive Schichten anzuordnen, welche eine Reflexion der
Sonnenstrahlung verhindern sollten. Diese Schichten sind jedoch eineiseits teuer
in ihrer Herstellung und weisen andererseits keinen befriedigenden Wirkungsgrad
auf.
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Ein anderer Versuch, die Abstrahlung des Absorberrohres klein zu halten,
bestand darin, das Rohr selbst aus einem strahlungsdurchlässigen Material herzustellen,
in dessen Inneren ein schwarzer Körper angeordnet ist, der beispielsweise sternförmigen
Querschnitt aufweist, wobei das Wärmeträgermedium zwischen dem Einsatz und der Außenwandung
des Absorberrohres hindurchströmt.
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Strahlen, die von den Flächen des schwarzen Körpers reflektiert werden,
treffen wieder auf gegenüberliegende schwarze Flächen, so daß nur ein sehr geringer
Strahlungsanteil wieder nach außen zurückgeworfen wird. Nachteilig an dieser Maßnahme
ist jedoch das Ansteigen des Strömungswiderstandes im Absorberrohr und die relativ
aufwendige Herstellung der Rohre.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Absorberrohr
für einen Sonnenkollektor der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, das gegenüber
bekannten Absorberrohren ein verbessertes Absorptionsverhältnis aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß über dem Bereich
des Absorberrohres, der nicht oder nahezu nicht von verdichteter Strahlung getroffen
wird, ein Reflexionselement angeordnet
ist, das vom Absorberrohr
reflektierte Strahlung auf dieses zurückwirft. Mit dieser Maßnahme wird eine Abstrahluny
von denjenigen Flächenanteilen des Absorberrohres verhindert, die nicht von konzentrierter
Sonnenstrahlung getroffen werden.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist das Reflexionselement
starr mit dem Sonnenkollektor verbunden. Bei einer Nachführung des Sonnenkollektors
gemäß dem Sonnenstand, verstellt sich damit das Reflexionselement entsprechend,
so daß es immer über der nicht mit konzentrierter Strahlung beaufschlagten Fläche
des Absorberrohres zu liegen kommt.
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Eine eigene Stützkonstruktion für das Reflexionselement entfällt,
wenn es auf einem das Absorberrohr umgebenden, strahlungsdurchlässigen Mantelrohr
angeordnet ist.
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Eine besonders einfache Ausbildung des Reflexionselementes ergibt
sich, wenn dieses als Spiegelbelag af dem Mantelrohr ausgebildet ist. Dabei kann
das Mantelrohr vorzugsweise mit dem nachführbaren Kollektor starr verbunden sein
und sich um das stationäre Absorberrohr drehen.
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Falls als Sonnenkollektor ein halbzylindrischer Parabolspiegel verwendet
wird, beträgt der vom Reflexionselement abgedeckte Bereich des Absorberrohres vorzugsweise
ca. 1400 im Bogenmaß.
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Falls als Sonnenkollektor eine Fresnel'sche Linse verwendet wird,
beträgt der vom Reflexionselement abgedeckte Bereich des Absorberrohres vorzugsweise
ca. 240".
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Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung des Absorberrohres kann der Wirkungsgrad
einer konzentrierenden Kollektoranlage mit einem wirtschaftlich vertretbaren Aufwand,
allein durch Verhinderung der Wärmeabstrahlung vom Absorberrohr um ca. 30 % gesteigert
werden.
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Die Absorberrohre können metallisch sein, wodurch eine sichere Medienführung
erreicht wird.
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Da die reflektierenden Flächen des Reflexionselementes besonders gut
geschützt sind, wird sich auch langfristig ein hoher Wirkungsgrad der Gesamtanlage
halten lassen.
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Nachfolgend sind Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Darin zeigen Fig. 1 eine schematische perspektivische
Darstellung eines konzentrierenden Sonnenkollektors mit einem halbzylindrischen
Parabolspiegel als Strahlungsbündler, Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Sonnenkollektor
gemäß Fig. 1 und Fig. 3 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform des
Sonnenkollektors mit einer Fresnel'schen Linse als Strahlungsbündler.
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Die wesentlichen Elemente des Sonnenkollektors gemäß Fig. 1 sind der
parabolisch gekrümmte Spiegel 1 in Form einer halbzylindrischen Wanne, das Absorberrohr
4, das in der Brennachse des Spiegels 1 feststehend angeordnet ist. Es weist eine
schwarze Oberfläche auf, deren Absorptionsverhältnis dem eines schwarzen Körpers"
möglichst nahe kommt. Es besteht aus einem gut wärmeleitenden Metall. Um das Absorberrohr
herum ist ein Mantelrohr 3 aus lichtdurchlässigem Material, beispielsweise Glas
angeordnet. Der Zwischenraum zwischen Mantelrohr 3 und Absorberrohr 4 ist üblicherweise
evakuiert, um Wärmeverluste durch Konvektion auszuschalten.
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Das Mantelrohr 3 ist über feste Verbindungsstege 5 mit dem Parabolspiegel
verbunden. Bei einer Verdrehung bzw. Verschwenkung des Spiegels 1 um die Achse des
Absorberrohres 4 wird daher auch das Mantelrohr 3 um den gleichen Winkelbetrag gedreht.
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Ein bestimmter Winkelbereich der Oberfläche des Mantelrohres 3 ist
mit einem Spiegelbelag beschichtet. Die spiegelnde Fläche ist dabei nach innen gerichtet.
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Wie aus Fig. 2 zu serhen ist, ist der Spiegelbelag 2 symmetrisch zur
optischen Achse und in dem Bereich des Mantelrohres 3 angeordnet, der von den konzentrierten
Sonnenstrahlen 6 nicht beaufschlagt wird. Der Bereich beträgt ca. 1400 im Bogenmaß.
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Bei einer dem Sonnenstand entsprechenden Nachführung des Parabolspiegels
1 verschwenkt sich dieser zusammen mit dem Mantelrohr 3 um die Achse des Absorberrohres
4. Die Lage des Reflexionselementes bzw. Spiegelbelages 2 zur optischen Achse bleibt
daher immer gleich, unabhängig von der Stellung des Spiegels 1 zum Absorberrohr
4. Die sich vom Absorberrohr 4 gegen den Spiegelbelag 2 richtende Wärmestrahlung
7 wird vom Spiegelbelag 2 wieder auf das Absorberrohr 4 zurückgeworfen. Dadurch
erhöht sich die Temperatur des Absorberrohres und entsprechend die mittels eines
das Absorberrohr 4 durchströmenden Mediums abgeführte Wärmemenge.
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In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform des Sonnenkollektors gezeigt,
bei dem als Strahlungsbündler anstelle eines Parabolspiegels eine Fresnel'sche Linse
8 verwendet wird. In der Brennzone der Linse ist wiederum ein Absorberrohr 4 angeordnet,
das von einem Mantelrohr 3 aus Glas umgeben ist. Das Mantelrohr 3 ist dabei fest
mit der Fresnel'schen Linse 8 verbunden, so daß bei einer
Drehung
der Linse 8 um das Absorberrohr 4 das Mantelrohr 3 um den gleichen Winkelbetrag
mit verschwenkt wird. Auf der Außenfläche des Mantelrohres 3 ist im denjenigen Winkelbereich,
der nicht von gebündelter Strahlung beaufschlagt wird, wiederum ein Spiegelbelag
2 angeordnet, dessen spiegelnde Seite nach innen gerichtet ist. Wie sich aus Fig.
3 ergibt, ist die Fläche, welche der Spiegelbelag 2 bei dieser Ausführungsform einnimmt,
größer als die Fläche gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, da die
Linse 8 die gebündelte Strahlung nur auf einen kleineren Flächenbereich des Absorberrohres
4 konzentriert.
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Die starre Verbindung zwischen der Linse bzw. dem Fresnel'schen System
8 und dem Mantelrohr 3 ist in Fig. 3 nicht gezeigt. Die Funktionsweise dieses Sonnenkollektors
ist die gleiche wie beim vorstehenden Ausführungsbeispiel beschrieben.
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