DE2742825A1

DE2742825A1 - Rohr-solar-kollektor

Info

Publication number: DE2742825A1
Application number: DE19772742825
Authority: DE
Inventors: Richard Howard Heffelfinger
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Joule Inc (eine Ges Ndgesetzen D Staates New
Priority date: 1976-09-27
Filing date: 1977-09-23
Publication date: 1978-03-30
Also published as: ES462653A1; JPS5363635A; JPS556823B2; FR2365761B1; GB1584816A; US4124019A; IL52912A; FR2365761A1; IT1086024B; IL52912A0; DE2742825C2; BE859074A

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Solar-Energie-Sammler und insbesondere den Sondertyp, bei dem jede Einheit einen Aufbau mit einem rohrförmigen Gehäuse besitzt.

Hit dem Ansteigen der Kosten für andere Formen von Nutzenergie wurden die Bemühungen verstärkt, eine bessere Umwandlung der Solarenergie in eine leichter verwendbare Energie zu erreichen. Bei der Wahl für die Konstruktion eines Solar-Sammlers oder Solar-Kollektors sind dabei die Kosten der zu verwendenden Anlage und

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die Unterhaltungskosten die wesentlichen Gesichtspunkte.

Es ist bekannt, daß ein Teil der von der Sonne kommenden elektromagnetischen Strahlung durch transparente Materialien hindurchgeht, beispielsweise Glas, und dann ein hinter dem Glas befindliches lichtundurchlässiges Objekt erhitzt. Gewöhnlich wird der Zwischenraum zwischen dem transparenten Material und dem Gegenstand evakuiert, um Wärmeverluste durch Wärmeleitung im Gas und durch Konvektion zu verhindern. In der U.S.-Patent sehrift 980505 und in der U.S.-Patent schrift 2460482 werden solche Anordnungen dargestellt. Diese Patentschriften zeigen eine rohrförmige Doppe I wand-Konstruktion mit einem fließfähigen Mittel (Fluid) innerhalb des inneren Rohrs. In der U. S.-Pat ent sehrift 2460482 wird noch vorgeschlagen, die äussere Oberfläche des inneren Rohrs mit einem Material zu überziehen, welches die Sonnenstrahlen gut absorbiert (siehe Spalte 5, Zeile 67 ff).

Es ist häufig erwünscht eine Flüssigkeit als das zu erhitzende Mittel zu verwenden. Dabei entstehen Probleme bezüglich der Kompatibilität der Flüssigkeit und der Schädigung von organischen Bauteilen, beispielsweise den im Flüssigkeitsweg verwendeten Dichtungen und Schläuchen. Teile des Gerätes durchlaufen auch durch die Sonnenbeleuchtung einen Zyklus der Expansion und Kontraktion bei Änderungen in der Beleuchtung, und dies hat zu Bruchstellen infolge einer Materialermüdung oder einer schlechten Konstruktion geführt.

Es wird ein guter Ausgangspunkt für die Schaffung eines einsatzfähigen Rohr-So lar-Ko 11ektors erreicht durch Kombination eines Aufbaus mit Rohren gemäß der Offenbarung in Figur 8 der U.S.-Patentschrift 980505 mit einem überzug auf der Außenseite des Innenrohrs gemäß der Beschreibung der U.S.-Patentschrift 2460480.

Kürzlich wurde in der U.S.-Patentschrift 3952724 eine Anordnung mit einem evakuierten, doppe I wandigen rohrförmigen Gehäuse wie bei

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den vorgenannten Anordnungen beschrieben, bei der noch ein drittes Rohr dazu verwendet wird, die Flüssigkeit in das innere Ende des Gehäuses zu leiten, wo sie dann gemäß der U.S.-Patentsehrift 2460480 entlang der Innenseite des inneren Rohrs fliessen kann. Diese Form des Aufbaues besitzt jedoch das Problem des Verlustes der Flüssigkeit im Gesamtsystem, bei einem Bruch in einem der rohrförmigen Gehäuse. Weiterhin werden noch ei η laßseitige und aus laßseitige Verteilerstücke verwendet, mit denen jeder Sammler mit einer flüssigkeitsdichten Abdichtung verbunden werden muß, wobei dann jede dieser Dichtungen einen Punkt für einen potentiellen Austritt der Flüssigkeit darstellt.

Diese Nachteile werden überwunden durch den erfindungsgemäßen Rohr-So lar-KoIlektor, bei dem ein evakuiertes doppe I wandiges Rohrgehäuse eine lichtdurchlässige Außenwand besitzt. In diesem Gehäuse ist ein Leitblech (Rippe) aus Metallblech enthalten, das mit Vorspannung an der Innenwand des Gehäuses anliegt und sich über das gesamte Gehäuse erstreckt. Weiterhin sind Leitungsmittel, beispielsweise ein Rohr, vorgesehen zur Leitung der Flüssigkeit (Fluid) in einer solchen Weise, daß ein guter Wärmeübergang mit der Leitfläche oder Rippe vorhanden ist. pie Vorrichtung zum Leiten der Flüssigkeit besitzt einen Einlaß und einen Auslaß am gleichen Ende des Rohrgehäuses.

Figur 1 zeigt eine Anordnung mit Rippe und Rohr als Ausführungsform der Erfindung mit und ohne rohrförmigen! Gehäuse, welches teilweise zur übersichtlicheren Darstellung weggebrochen gezeigt ist.

Die Figur 2 zeigt einen Schnitt eines Teils der Anordnung nach Figur 1.

Die Figur 3 zeigt eine Draufsicht einer Anordnung mit Rohr-Solar-Ko 11ekto.-*.

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Die Figur 4 ist eine Endansicht der Anordnung nach Figur 3. Die Figur 5 zeigt einen Schnitt eines Teils der Figur 3.

Die Figur 6 zeigt eine alternative Ausführungsform der Anordnung nach Figur 1 .

Die Figur 7 ist ein Schnitt der Figur 6.

Die Figur 8 zeigt alternative Einrichtungen als Leitfläche und als Flüssigkeitsleitung.

Die Figur 9 ist ein Schnitt der Figur 8.

Figur 1 zeigt im oberen Teil ein vollständiges So lar-Ko I Iektor-Element, während in dem unteren Teil das rohrförmige Gehäuse weggenommen ist. Das Rohr 10 besteht vorzugsweise aus einem Metall, beispielsweise aus Kupfer, und leitet eine Flüssigkeit, welche durch die aus der Sonnenstrahlung gewonnenen Wärme erhitzt werden soll. Eine Anzahl von Rohren 10 von getrennten So lar-Ko I lektor-Elementen können zu einer einzigen leckfreien Leitung verbunden werden durch Verwendung von in der Installationstechnik üblichen Verbindungsstellen, beispielsweise Weichlotstellen (dieses Konzept ist dargestellt in Figpr 4 der U.S.-Patentschrift 3227053). Durch diese Anordnung werden die Leckprobleme überwunden, welche bei So lar-Ko I lektoren aufgetreten sind, wenn organische Materialien in Form von Schlauchleitungen verwendet wurden.

Wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt besitzt das Rohr 10 in jedem der einzelnen Solar-KoIlektor-E lemente eine U-förmige Gestalt. Erfindungsgemäß steht dabei der obere Schenkel des U (in den Abbildungen gesehen) im Wärmeaustausch mit einem gebogenen Teil 14 aus Metallblech (dies wird nachstehend als Rippe oder Leitblech bezeichnet). In der Anordnung nach Figur 2 ist die Rippe 14 mit einem Kanal ausgestattet zur Aufnahme des oberen Schenkels des

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Rohrs 10. Wie aus der Figur 7 ersichtlich kann sich jedoch das Leitblech 14 um den gesamten U-förmigen Aufbau des Rohrs herum erstrecken. Es können dabei bekannte Hilfsmittel zur Verbesserung des thermischen Kontaktes zwischen dem Leitblech 14 und dem Rohr 10 verwendet werden, beispielsweise die Verbindung dieser Teile durch Verschweißen oder durch Spachtelmassen (flashing).

In dem oberen Teil der Figur 1 sind das Innenrohr und das Außenrohr 16 bzw. 18 abgebildet. Am linken Ende sind die Rohr 16 und 18 miteinander verbunden. Am rechten Ende sind diese Rohre jedoch nicht miteinander verbunden. Diese Anordnung wird dort bevorzugt, wo eine stärkere Längenausdehnung des Innenrohrs im Vergleich zum Außenrohr wegen ihrer Temperaturdifferenzen erwartet wird. Wenn zu erwarten ist, daß diese Temperaturdifferenzen nicht erheblich sind, dann kann eine Anordnung nach Figur 3 der U.S.-Patentschrift 980505 verwendet werden, bei welcher beide Enden der Rohre miteinander verbunden sind. Der Zwischenraum zwischen den beiden Rohren wird dabei evakuiert oder ausgepumpt, um den Wärmeübergang vom Innenrohr auf das Außenrohr zu reduzieren. Die Spitze 20 des Außenrohrs wird dann durch Abquetschen verschlossen. Gewünschtenfalls kann in dem evakuuirten Raum ein Getter vorgesehen werden zur Absorption von Restgasen oder austretenden Gasen. In dieser Ausführungsform ist eine Abstandseinrichtung 22 vorgesehen zur Einhaltung des Abstandes zwischen den rechten Enden des Innenrohrs und des Außenrohrs.

Zur Erzielung eines maximalen Wärmeübergangs vom Innenrohr 16 auf das Leitblech 14 wird dieses mit einem Außendurchmesser hergestellt, welcher geringfügig größer ist als der Innendurchmesser des Rohrs 16. Wenn dann die Kombination aus Innenrohr und Außenrohr über das Leitblech 14 geschoben wird, dann liegt dieses unter Spannung an der Innenwand des Innenrohrs an. Offensichtlich wird das Leitblech 14 so lang wie möglich gemacht um eine maximale Isolation zu erzielen.

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Das Außenrohr 18 ist lichtdurchlässig und besteht vorzugsweise aus Glas, beispielsweise aus Borsilikat-Glas oder Natronkalk-Glas. Das Innenrohr 16 kann aus dem gleichen Material bestehen. Seine Außenfläche besitzt jedoch vorzugsweise einen Überzug mit einem hohen Verhältnis von Absorptionskoeffizient und Emissionskoeffizient oder einem hohen Verhältnis <^/£ um auf diese Weise eine maximale Strahlung zu erhalten, welche als Wärme durch das Rohr 16 absorbiert und durch das Rohr hindurch zum Leitblech 14 und zum Rohr 10 geleitet wird und dadurch die Flüssigkeit im Rohr 10 erhitzt.

Die Figur 3 zeigt einen Teil einer Anordnung von mehreren Solar-KoIlektor-Elementen 24. Es ist dabei zu beachten, daß die Abbildungen nicht maßstabsgetreu sind. Die Abmessungen, beispielsweise die Länge des Rohrgehäuses, sind jedoch nicht kritisch und können nach den verschiedensten Gesichtspunkten ausgewählt werden, beispielsweise gemäß den handelsmäßig bereits für einen anderen Zweck gefertigten Rohren (beispielsweise Leuchtstofflampen). Wie am besten aus den Figuren 4 und 5 ersichtlich ist, werden die Solar-KoIlektor-Elemente 24 von einem Strahlungs-Reflektor 26 getragen, welcher auch noch Sonnenstrahlung auf diese Elemente zurück reflektiert. Polster 28 (siehe Figur 5) umgeben die Solar-Kol lektor-Elemente 24 am linken Ende und können durch Klebstellen an diesen befestigt sein. Die Polster 28 können aus Schaumgummi oder ähnlichem Material bestehen. Ein Band 30 kann aus Metall bestehen und hält die linken Enden der So lar-Ko I lektor-E lemente 24. Schutzteile 32 können aus irgend einem formbaren oder flexiblen Material bestehen und dienen zur Befestigung der rechten Enden der Rohre in der Innenwand 34 des Behälters 36. Der Behälter 36 besitzt in der Abbildung keine Abdeckung; es kann jedoch als Abdeckung und zur Verhinderung eines Bruchs eine Platte aus einem Polykarbonat-Kunstharz verwendet werden aus dem Material LEXAN (Warenzeichen der General Electric Company).

Die Figuren 6 und 7 zeigen, daß es auch möglich ist das Rohr 10

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so anzuordnen, daß die U-förmige Anordnung senkrecht steht anstelle der horizontalen Lage nach den Figuren 1 und 3. Weiterhin kann als ein Teil des So lar-Ko I lektors ein Rohr 38 verwendet werden, das nicht aus Glas besteht; diese Form wird jedoch nicht bevorzugt. Ein mit Metallfasern verstärktes Kohlestoffmaterial oder ein anderes Material mit guter Wärmeleitung ist erwünscht.

Die Figuren 8 und 9 zeigen alternative Formen des Leitbleches.Das Leitblech-40 ist durch Extrudieren hergestellt und es werden dabei als integraler Bestandteil FlüssigkeitsLeitungen 42 gebildet. Aus der Figur 9 ist auch ersichtlich, daß die Enden des Leitbleches 40 gewünschtenfa 11s überlappt sein können.

Es ist zu beachten, daß irgendeine thermische Expansion oder Kontraktion des Gehäuses relativ zum Leitblech und seinem Rohr keine Spannung zwischen diesen beiden Teilen erzeugt, da diese nicht starr miteinander verbunden sind.

Wenn in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ein Gehäuse aus Glasrohr bricht, dann kann das System immer noch weiter betrieben werden, wenn auch mit vermindertem Wirkungsgrad, da das rohrförmige Gehäuse keine Leitung für die zu erhitzende Flüssigkeit bi Idet.

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Claims

Dr. rer. not. Horst Schüler *⁰⁰⁰ Frankfurt/Mom ι, 22. sept. 1977

PATENTANWALT Kais.rsfroße 41 WK./he.

Telefon (0611) 235555 Telex: 04-16759 mapatd 2742^25 Poitschedc-Kontoi 282420-602 Frankfurt-M.

Bankkonto: 225/0389 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

.!£392-39 S S-2 415

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
SCHENECTADY, N.Y./U.S.A.

Rohr-So lar-KoIlektor
Patentansprüche

\\J So lar-Ko I lektor mit einem rohrförmigen Außengehäuse und Leitungsvorrichtung für eine erhitzbare Flüssigkeit (Fluid) in dem Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (16, 18) ein Leitblech (14) vorgesehen ist, welches praktisch die gleiche Längenausdehnung wie das Gehäuse (16) besitzt und in Kontakt mit diesem ist, wobei sich die genannte Leitung (10) in Uärmeübertragungsverbindung mit der Leitfläche (14) befindet.
2. So lar-Ko I lektor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß

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- 2 die Leitfläche (14) ein zylindrisches Teil aus Metallblech ist.
3. So lar-KoIlektor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsleitung (10) ein Rohr ist.
4. Sotar-Kollektor nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfläche mit Vorspannung an der Innenseite des Gehäuses (16) anliegt.
5. So lar-Ko I lektor nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorspannung der Leitfläche der Außendurchmesser der Leitfläche (14) im ungespannten Zustand größer ist als der Innendurchmesser des Gehäuses (16).
6. So lar-Ko I lektor-Anordnung gekennzeichnet durch:

eine Anzahl von rohrförmigen Gehäusen (16, 18), welche seitlich nebeneinander in einem Behälter (36) angeordnet sind, dessen Oberseite für mindestens einen Teil des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung durchlässig ist,

eine unter diesen Rohrgehäusen (16) angeordnete Reflektorvorrichtung (26) zur Reflektion von Strahlung auf diese Gehäuse, ein in jedem dieser Gehäuse enthaltenes zylindrisches Teil aus Metallblech,

ein Leitungsrohr für Flüssigkeit in Wärmeübergangsverbindung mit jedem dieser Teile, und

wobei diese Leitungsrohre (10) für Flüssigkeit (Fluid) zur Bildung eines einzigen Leitungsweges für Flüssigkeit durch die Anordnung miteinander verbunden sind.
7. So lar-KoIlektor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse ein erstes lichtdurchlässiges Rohr (18) enthält, das an einem Ende verschlossen und am anderen Ende offen ist, in diesem ersten Rohr (18) ein an einem Ende offenes und am anderen Ende verschlossenes zweites Rohr (16) enthalten ist, wobei die offenen Enden des ersten und zweiten Rohres (16, 18)

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gegeneinander abgedichtet sind zur Bildung einer doppe Iwandigen luftleeren Kammer zwischen den beiden Rohren und noch die Leitfläche (14, 40) aus einem zylindrischen Teil aus Metallblech besteht und in dem zweiten Rohr (16) angeordnet ist und sich durch das selbe hindurch erstreckt, und die Leitung (10) für die Flüssigkeit in Wärmeübergangsverbindung mit diesem genannten zylindrischen Teil ist.

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