DE2728019C2

DE2728019C2 - Evakuierter Solarkollektor in Flachbauweise

Info

Publication number: DE2728019C2
Application number: DE2728019A
Authority: DE
Inventors: Bernhard 8011 Zorneding Mayer; Veit 8011 Putzbrunn 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: 1983-09-29
Also published as: IT1096014B; IT7824735A0; ES471002A1; IN148270B; DE2728019A1

Description

Die Erfindung betrifft einen evakuierten Solarkollektor in Flachbauweise mit einem vom Wärmeträgermedium durchströmten Absorber in einem Gehäuse mit einer oder mehreren Abdeckscheiben, einer Bodenplatte, einer Wärmeisolierung zwischen Absorber und Bodenplatte, Anschluß für eine Nachevakuierung sowie zwischen Abdeckscheibe und Bodenplatte angeordneten, rasterartig verteilten Stützstäben, welche den Absorber berührungslos durchdringen.

Aus der US-PS 3916871 ist ein evakuierbarer Solarkollektor der hier in Frage stehenden Art bekannt, der jedoch keinen selbsttragenden Profilrahmen aufweist. Vielmehr ist dort eine Bodenplatte vorhanden, die nicht wie eine Membrane nachgiebig ausgebildet ist. Es wird dort von einem dicken stabilen Boden ausgegangen, der den relativ schweren Absorber über entsprechend stabile Stäbchen tragen muß. Hieraus folgt, daß ein selbsttätiges Anpassen des Absorbers und gesamten Kollektors an den Flächenverlauf der Abdeckscheiben nicht möglich ist. Insgesamt ist bei dem aus der US-PS bekannten Solarkollektor die mangelnde thermischmechnische Anpassungsfähigkeit als nachteilig festzustellen.

Allgemein ist es bekannt, zur Ausschaltung der konvektiven Wärmeverluste Solarkoliektoren zu evakuieren. Durch Hochvakuum, worunter ein Druck vor« weniger als 10"³mbar 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 erzielHar, 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 iColIektorgehäuse extrem belasten. Die bei Flachkollektoren der genannten Art üblichen Glasabdeckungen können dieser Belastung von ca. lOOkN/m² nur standhalten, wenn sie ausreichend dick und in regelmäßigen Abständen unterstützt sind. Die konstruktive Aosbildung solcher Stützen hat sich bisher als äußerst schwierig erwiesen, da die Stützen der Ebenheit der Glasscheibe, welche selbst kaum Toleranzen ausgleichen kann, genau angepaßt sein mußten und die Wärmedehnungen des Glases nicht behindern durften.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Solarkollektor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem Wärmedehnungen und sonstige mechanische Beanspruchungen von der Struktur des Solarkollektors ohne Beeinträchtigung der Dichtheit aufgenommen werden können, ohne daß hierzu besonderer Wert auf Werkstoffabstimmung und Tolerenzen gelegt werden müßte oder die Formstabilität leidet.

Diese Aufgabe ist gemäß den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. 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 Hochvakuum die Dichtheitsanforderungen an den

«ο Solarkollektor um viele Potenzen reduziert sind, ohne daß zu hohe Leistungseinbußen eintreten. Außerdem ist auf billige Weise ein zeitweises Nachevakuieren des Kollektors, z. B. mit einer einfachen Wasserstrahlpumpe über einen Kunststoffschlauch einige Minuten lang pro Monat möglich. Der Kollektor wird nach der Erfindung aus handelsüblichen Werkstoffen mit groben Fertigungstolerenzen 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 finanziellem Aufwand erreicht werden konnte.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert werden. Diese zeigen:

F i g. 1 die Explosionszeichnung eines erfindungsgemäßen Kollektors,

Fig.2a ein Beispiel für die Rahmenisolation und Abdichtung,

F i g. 2b u. 2c je ein Ausführungsbeispiel für die Lagerung der Stützstäbe.

Gemäß F i g. 1 besteht der Solarkollektor aus einem Gehäuse 1, einem Profilrahmen 10, einem Absorber 18, einer Abdeckscheibe 14, einer Bodenplatte 15, einer Hartschaumplatte 21, Querverstrebungen 13 und Stützstäben 17.

Der geschweißte, selbsttragende Profilrahmen 10 mit Querverstrebungen 13 trägt an jeder Stirnseite 23 Rahmenisolationen 11, weiche gleichzeitig als Träger

für den Absorber 18 dienen (siehe auch Fig.2a). Zur Aufnahme der thermischen Ausdehnung des Absorbers 18 sind Aufnahmeschlitze 24 mit entsprechenden Toleranzen vorgesehen. Abdeckscheibe 14 sowie Bodenplatte 15 sind gegen den Profilrahmen 10 zur mechanischen Entkoppelung mit einer elastischen Dichtung 25 abgedichtet (Fig.2a). Die Rückseite des Absorbers 18 wird gegen die Bodenplatte 15 durch einige Lagen !ocker geschichteter Isolationsfolien, beispielsweise Aluminiumfolien, isoliert (Fig.2c) oder aber auch, wie in Fig.2b dargestellt, durch eine Hartschaumplatte 21 abisoliert

in einem quadratischen Rastermaß sind die Stützstäbe 17 angeordnet und übet tragen die vom Luftdruck auf Abdeckscheibe 14 und Bodenplatte 15 ausgeübten Kräfte, ohne Wärmedehnungen zu behindern. Zur Erzielung einer geringen Wärmeleitung können die Stützstäbe 17 als dünnwandige Metallröhrchen oder als Glas- bzw. Keramikstäbe ausgebildet werden. Die Bodenplatte 15 wirkt aufgrund ihrer geringen Wanddikke und ihres Elastizitätsmoduls wie eine weiche Membrane, so daß sie sich über die Stützstäbe 17 dem Flächenverlauf der Abdeckscheibe 14 anpaßt Es wird somit die Abdeckscheibe 14 gegen den äußeren Luftdruck abgestützt, ohne daß Toleranzen in ihrer Ebenheit oder in der Länge der Stützstäbe 17 nennenswerte Belastungen verursachen. Erprobte und bewährte Abmessungen sind beispielsweise folgende:

30

35

Der Absorber 18 besteht im Ausführungsbeispiel aus einer Platine, welche von einem Wärmeträgermedium durchflossen 'vird. Hierfür sind Wärmeträgeranschlüsse ίο 27 im Profilrahmen 10 vorgesehen. Der Absorber 18 könnte aber auch aus Rohren o.a., welche an den Stirnseiten 23 des Kollektors zusammengefaßt werden, gebildet sein. Der Absorber 18 weist entsprechend dem Rastermaß Durchbrüche 19 auf, durch welche die -»5 Stützstäbe 17 ragen. Zur freien Wänneausdehnung des Absorbers 18 ist der Durchmesser der Durchbrüche 19 größer als der Stützstäbedurchmesser.

Glasdicke der Abdeckscheibe 14	6 mm
Bodendicke der Bodenplatte 15	1,5 mm
Rastermaß zwischen den
Stützstäben 17	60 mm
Länge der Stützstäbe 17	83 mm
Durchmesser der Stützstäbe 17	3 mm
Profilrahmengröße	1,8 m χ 0,6 m

In Fig.2b, 2c sind zwei unterschiedliche Methoden der Lagerung der Stützstäbe 17 in bezug auf den Durchbrach 19 dargestellt

Gemäß Fig.2b stecken die Stützstäbe 17 in einer Hartschaumplatte 21 aus Kunststoff, welche gleichzeitig einen Teil der Rückseitenisolierung darstellt

Gemäß Fig.2c wird jeder Stützstab 17 im Durchbrach 19 von einer Fixierfeder 28 gehalten, in der er axial verschiebbar ist Diese Ausführung hat den Vorteil, daß Toleranzen im Durchbruchraster keinen Einfluß auf die Lage der Stützstäbe 17 innerhalb des Durchbruchs 19 nehmen können. Nach beiden. Methoden sind die Stützstäbe 17 um die Anlagestelle an der Abdeckscheibe 14 und der Bodenplatte 15 schwenkbar.

Wie bereits ausgeführt, wird beim erfindungsgemäßen Kollektor auf ein Hochvakuum verzichtet Aus »Solar Energy«, Vol. 17, S. 151 —158, Pergamon-Preß 1975, ist entnehmbar, daß bei richtig gewählten Kollektorabmessungen, insbesondere des Abstandes Absorber—Abdeckscheibe, eine Druckabsenkung auf ca. 25 Torr bereits genügt, um den Wärmetransport durch Konvektion vom Absorber zur Abdeckplatte hin zu unterdrücken (s. dort S. 151, linke Spalte, Zeilen 6 bis 10 von unten; Fig.3a—d; Tabelle 1; S. 155, rechte Spalte Mitte).

Eine einfache Evakuierung des Kollektors mit einer Wasserstrahlpumpe über einen hierfür vorgesehenen Anschluß 12 liefert aber bereits niedrigere Enddrücke. Versuche haben außerdem ergeben, daß die Wärmeverluste durch Konvektion ein Mehrfaches der Luftleitungsverluste ausmachen. Die durch den Verzicht auf das Hochvakuum beibehaltene Luftleitung kann demnach mit geringen Leistungseinbußen in Kauf genommen werden.

Setzt man ein Koilektorvolumen bezogen auf je 1 m² Fläche des Kollektors von 80 dm³/m² an, muß bei einer Leckrate des Kollektors von

8 · 10

-4 mbar - dm³
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einmal im Monat 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 rien genannten Dichtmethoden noch bei weitem unterschritten werden, so daß nur ein besonders ungünstiger Fall angenommen wurde.

Hierzu Ϊ Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Evakuierter Solarkollektor in Flachbauweise mit einem vom Wärmeträgermedium durchströmten Absorber in einem Gehäuse mit einer oder mehreren Abdeckscheiben, einer Bodenplatte, einer Wärmeisolierung zwischen Absorber und Bodenplatte, Anschluß für eine Nachevakuierung sowie zwischen Abdeckscheibe und Bodenplatte angeordneten, rasterartig verteilten Stützstäben, welche den Absorber berührungslos durchdringen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (t) des Solarkollektors einen selbsttragenden, mit Querverstrebungen (13) versehenen Profilrahmen (10) aufweist, daß die Stützstäbe (17) schwenkbar zwischen Abdeckscheibe (14) und Bodenplatte (15) angeordnet sind, wobei die Bodenplatte (15) als Membrane ausgebildet ist, und daß eine elastische Dichtung (25) zwischen dem Profilrahmen (10) und der Abdeckscheibe (14) bzw. der Bodenplatte (15) vorgeseksa ist

2. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützstäbe (17) durch im Absorber (18) gelagerte Fixierfedern (28) geführt sind.

3. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stüizstäbe (17) bodenseitig in einer Hartschaumplatte (21) eingesteckt sind.

4. Solarkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützstäbe (17) als dünnwandige Metallröhrchen ausgebildet sind.

5. Solarkollektor tach eitern der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützstäbe (17) aus Glas oder Keras- k sind.