DE2728019A1

DE2728019A1 - Evakuierter solarkollektor in flachbauweise

Info

Publication number: DE2728019A1
Application number: DE19772728019
Authority: DE
Inventors: Bernhard Mayer; Veit Merges
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1977-06-22
Filing date: 1977-06-22
Publication date: 1979-01-04
Also published as: IT7824735A0; ES471002A1; IT1096014B; DE2728019C2; IN148270B

Description

Evakuierter Solarkollektor in Elachbauweise
Die Erfindung betrifft einen evakuierten Solarkollektor in Flachbauweise mit einem vom Wärmeträgermedium durchströmten Absorber, einer oder mehreren Abdeckscheiben, einer Bodenplatte und einer ärmeisolierung zwischen Absorber und Bodenplatte.
Es ist bekannt, zur Ausschaltung der konvektiven Wärmeverluste Solarkollektoren zu evakuieren. Durch hochvakuum, worunter ein Druck von weniger als 10 3 mbar zu verstehen ist, wird der Wärmetransport über das Restgas praktisch völlig unterbunden, da weder Konvektion noch Leitung auftreten können.
Nachteilig wirkt sich jedoch aus, daß zur Aufrechterhaltung des Hochvakuums über viele Jahre der Kollektor extrem dicht und aus entgasungsfreien Materialien gefertigt sein muß. Ein Nachevakuieren des Solarkollektors am Betriebsort ist wegen der aufwendigen Pumpen und Anschlüsse nicht wirtschaftlich.
Allenfalls durch Glaseinschmelztechniken ist die geforderte Dichtheit erzielbar, sofern die Heliumdiffusion durch Glas gering genug ist. Weiter kommt erschwerend hinzu, daß die durch das Vakuum bedingte Druckdifferenz von 1 bar gegenüber der Umgebung Kräfte verursacht, welche das Kollektorgehäuse extrem belasten. Die bei Flachkollektoren der genannten Art 2 üblichen Glasabdeckungen können dieser Belastung (10 to/m ) nur standhalten, wenn sie ausreichend dick und in regelmäßigen Abständen unterstützt sind. Die konstruktive Ausbildung solcher Stützen hat sicji bisher als äußerst schwierig erwiesen, da die Stützen der Ebenheit der Glasscheibe, welche selbst kaum Toleranzen ausgleiclIen kann, genau angepaßt sein mussten und die Wärmedehnungen des Glases nicht behindern durften.
Es ist ein hochevakuierter Solarlcollektor von der Firma l'hilips, Aachen in Glasröhrenbauweise bekanntgeworden, der die beschriebenen Dichtheits- und Festigkeitsprobleme linsen soll. Die dort vorgeschlagene Bauweise hat jedoch den grundsätzlichen Nachteil, daß jede Röhre nur ca. 0,1 qm Lichteintrittsfläche aufweist und jeweils einen eigenen Absorber mit zwei Kühlmediumdurchführungen erfordert. Die großflächige Anwendung dieses Kolleictorprinzips ist deshalb sehr aufwendig und teuer. Neuerdings sollen die Nachsteile dieser Bauart dadurch vermieden werden, daß di clit ane inandergere iii te evakuierte Glasrolire lichtseitig über einen großflächigen Absorber angeordnet werden. Damit ist jedoch die optisc1ie Transmission vermindert.
Der Ereindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Solarkollektor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem ebenfalls die genannten Luftkonvektiunsverluste vermieden werden, andererseits aber eine billige und zuverlässige Bauweise ermöglicht wird.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemzil3 dadurch gelöst, daß der Solarlcollektor aus einem selbsttragenden, mit Querverbindungen versehenen Profilrahmen besteht, daß schwenkbare Stützelemente rasterartig verteilt zwischen der Abdeckscheibe und der Bodenplatte angeordnet sind, daß die Bodenplatte als Membrane ausgebildet ist, daß eine elastische Dichtung zwischen Rahmen und Abdeckscheibe bzw. Bodenplatte vorgesehen ist und daß der Rahmen Anschlüsse für den Wärnieträger und für eine Nachevakuierung aufweist.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß durch den Verzicht auf ein Ilochvakuum die Dichtheitsanforderungen an den Solarkollektor um viele Potenzen reduziert sind, ohne daß zu hohe Leistungseinbußen eintreten. Außerdem ist auf billige Weise ein zeitweises Nachevakuieren des Kollektors, zum Beispiel mit einer einfachen Wasserstrahlpumpe über einen Kunststoffschlauch einige Minuten lang pro Monat möglich. Der Kollektor wird nach der Erfindung aus handelsüblichen Werkstoffen mit groben Fertigungstoleranzen und einfachen Dichtmitteln ausgeführt.
Es ergibt sich daher, daß mit der erfindungsgemäßen Bauweise auf äußerst billige Art ein Kollektor geschaffen wird, der eine Leistungsausbeute zuläßt, welche bisher nur mit wesentlich größerem finanziellen Aufwand erreicht werden konnte.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2a, 2b, 2c, näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt die Explosionszeichnung eines erfindungsgemäßen Kollektors; Fig. 2a zeigt ein Beispiel für die Rahmenisolation und Abdichtung; Fig. 2b zeigen je ein Ausführungsbeispiel für die Lagerung und 2c der Stützelemente.
Gemäß Fig. 1 besteht der Solarkollektor aus einem Profilrahmen 10, einem Absorber 18, einer Abdeckscheibe 14, einer Bodenplatte 15, einer Hartschaumplatte 21, Querverstrebungen 13 und Stützelementen 17.
Der geschweißte, selbsttragende Profilrahmen 10 mit Querverstrebungen 13 trägt an jeder Stirnseite 23 Rahmenisolationen 11, welche gleichzeitig als Träger für den Absorber 18 dienen (siehe auch Fig. 2a). Zur Aufnahme der thermischen Ausdehnung des Absorbers sind Aufnahmeschlitze 24 mit entsprechenden Toleranzen vorgesehen. Abdeckscheibe 14 sowie Bodenplatte 15 sind gegen den Profilrahmen 10 zur mechanischen Entkopplung mit einem elastischen Kleber 25 abgedichtet (Fig. 2a). Die Rückseite des Absorbers 18 wird gegen die Bodenplatte 15 durch einige Lagen locker geschichteter Isolationsfolien, beispielsweise Aluminiumfolien isoliert (Fig. 2c), oder aber wie auch in Fig. 2b dargestellt, durch eine Hartschaumplatte 21 abisoliert.
In einem quadratischen Rastermaß sind die Stützelemente 17 angeordnet und übertragen die vom Luftdruck auf Abdeckscheibe und Bodenplatte ausgeübten Kräfte ohne Wärmedehnungen zu behindern. Zur Erzielung einer geringen Wärmeleitung können die Stützelemente 17 als dünnwandige Metallröhrchen oder als Glas- bzw. Keramikstäbe ausgebildet werden. Die Bodenplatte 15 wirkt aufgrund ihrer geringen Wandstärke und ihres Elastizitätsmoduls wie eine weiche Membrane, so daß sie sich über die Stützelemente 17 dem Flächenverlauf der Abdeckscheibe anpaßt. Es wird somit die Abdeckscheibe gegen den äußeren Luftdruck abgestützt, ohne daß Toleranzen in ihrer Ebenheit oder in der Länge der Stützelemente 17 nennenswerte Belastungen verursachen. Erprobte und bewährte Abmessungen sind beispielsweise folgende: Glasdicke der Abdeckscheibe 14 : 6 nun, Bodendicke der Bodenplatte 15 : 1,5 mm, Rastermaß zsuischen den Stützelementen 17 : 60 mm, Länge der Stützelemente 17 s 83 mni, Durchmesser der Stützelemente : 3 mm, Profilrahmengröße : 1,8 m x o,G m.
Die Absorberpiatine 18 besteht im Ausführungsbeispiel aus einer nach dem Rollbondverfahren hergestellten Platine, welche von einem Wärmeträgermediuin durchflossen wird. hierfür sind Anschlüsse 27 im Profilrahmen 10 vorgesehen. Der Absorber könnte aber auch aus Rohren o.ä., welche an den Stirnseiten des Kollektors zusammengefaßt werden, gebildet sein. Die Absorberpiatine 18 weist entsprechend dem nastermat3 Durchbrüche auf, durch welche die Stützelemente 17 ragen. Zur freien Wärmeausdehnung der Platine ist der Durchmesser der Durchbrüche 19 größer als der Stützelementdurchmesser.
In Fig. 2b und 2c sind zwei unterschiedliche Methoden der Lagerung der Stützelemente in bezug auf den Durchbruch 19 dargestellt.
Gemäß Fig. 2b stecken die Stützelemente in einer IIartschaumplatte 21 aus Kunststoff, welche gleichzeitig einen Teil der Rückseitenisolierung darstellt.
Gemäß Fig. 2c wird jedes Stützelement im Durchbruch 19 von einer Feder 28 gehalten, in der es axial verschiebbar ist.
Diese Ausführung hat den Vorteil, daß Toleranzen im Durchbruchraster keinen Einfluß auf die Lage der Stützelemente innerhalb des Durchbruchs nehmen kann. Nach beiden Methoden sind die Stützelemente um die Anlagestelle an der Abdeckscheibe und der Bodenplatte schwenkbar.
Wie bereits ausgeführt, wird beim erfindungsgemäßen Kollektor auf ein Hochvakuum verzichtet. Aus Solarenergie, Vol.17, Pergamon-Preß 1975" ist entnehmbar, daß der Druck im Solarkollektor bis maximal 40 mbar betragen kann, - in Abhängigkeit von der Kollektorgeometrie und der Temperatur - bevor Konvektion des Restgases eintritt. Eine einfache Evakuierung des Kollektors mit einer Wasserstrahlpumpe über einen hierfür vorgesehenen Anschluß 12 liefert aber bereits Enddrücke von ca. 20 mbar. Versuche haben außerdem ergeben, daß die Wärmeverluste durch Konvektion ein Mehrfaches der Luftleitungsverluste ausmachen. Die durch den Verzicht auf das Hochvakuum beibehaltenen Luftleitung kann demnach mit geringen Leistungseinbußen in Kauf genommen werden.
2 Setzt man ein Kollektorvolumen von 80 1/m2 an, muß bei einer Leckrate des Kollektors von 6 . 10-4 torr.1 einmal im Monat sec einige Minuten lang evakuiert werden. Dieses Evakuieren kann auch für mehrere Kollektoren zentral durch eine Pumpe ausgeführt werden. Die hier angenommene Leckrate kann aber mit den genannten Dichtmethoden noch bei weitem unterschritten werden, so daß nur ein besonders ungünstiger Fall angenommen wurde.

Claims

Evakuierter Solarkollektor in Flachbauweise Patentansprüche 1. Evakuierter Solarkollektor in Flachbauweise mit einem vom Wärmeträgermedium durchströmten Absorber, einer oder mehreren Abdeckscheiben, einer Bodenplatte und einer Wärmeisolierung zwischen Absorber und Bodenplatte, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Solarkollektor (1) aus einem selbsttragenden, mit Querverbindungen versehenen Profilrahmen (10) besteht, daß schwenkbare Stützelemente (17) rasterartig verteilt zwischen der Abdeckscheibe (14) und der Bodenplatte (15) angeordnet sind, daß die Bodenplatte (15) als Membrane ausgebildet ist, daß eine elastische Dichtung (25) zwischen Rahmen und Abdeckscheibe bzw. Bodenplatte vorgesehen ist und daß der Rahmen Anschlüsse (27) für den Wärmeträger und für eine Nachevakuierung (12) aufweist.
2. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch g c -k e n n z e i c h n e t , daß der Absorber (18) Durchbrüche in einem dem Stützelementraster entsprechenden Raster aufweist.
3. Solarkollektor nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Stützelemente (17) als dünnwandige Metallröhrchen ausgebildet sind.
4. Solarkollektor nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Stützelemente (17) Glas- oder Keramikstäbe sind.
5. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Stützelemente (17) durch im Absorber (18) gelagerte Fixierfedern (28) geführt werden.
6. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Stützelemente (17) bodenseitig in einer Hartschaumplatte (21) eingesteckt sind.