DE2742825C2

DE2742825C2 - Solarkollektor

Info

Publication number: DE2742825C2
Application number: DE2742825A
Authority: DE
Inventors: Richard Howard Berwyn Pa. 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: 1985-10-10
Also published as: JPS556823B2; ES462653A1; FR2365761B1; IL52912A; GB1584816A; BE859074A; IL52912A0; IT1086024B; JPS5363635A; DE2742825A1; FR2365761A1; US4124019A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Solarkollektor gernäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Solarkollektor ist aus der US 32 27 153 bekannt

Mit dem Ansteigen der Energiekosten von Erdöl und Erdgas werden die Bemühungen verstärkt, eine bessere Ausnutzung der Sonnenenergie zu erreichen. Bei der Wahl der Konstruktion eines Solarkollektors sind dabei die Herstellungskosten der Anlage und die Unterhaltskosten die wesentlichen Gesichtspunkte.

Bekanntlich geht ein Teil der von der Sonne kommenden elektromagnetischen Strahlung durch transparente Materialien, beispielsweise Glas, hindurch und kann ein hinter dem Glas befindliches lichtdurchlässiges Objekt aufheizen. Gewöhnlich wird der Zwischenraum zwischen dem transparenten Material und dem Gegenstand evakuiert, um Wärmeverluste durch Wärmeleitung im Gas und durch Konvektion zu verhindern. Derartige Anordnungen sind in den US-Patentschriften 9 80 505 und 24 60 482 beschrieben. Dort ist eine rohrförmige Doppelwand-Konstruktion vorgesehen, und innerhalb des inneren Rohres befindet sich ein Strömungsmittel. Aus der US 24 60 482 ist ferner bekannt, die äußere Oberfläche des inneren Rohres mit einem Material zu überziehen, welches die Sonnenstrahlen gut absorbiert. Zur Vergrößerung der wärmeabsorbierenden Fläche

können auch an den Leitungen Rippen angebracht sein (siehe US 22 74 492). Bei derartigen Anordnungen kann gemäß der US 39 52 724 ein drittes Rohr dazu verwendet werden, die Flüssigkeit in das innere Ende des Gehäuses zu leiten, wo sie dann entlang der Innenseite des inneren Rohres fließen kann. Hierbei ist jedoch nachteilig, daß bei einem Bruch einer der Rohrleitungen die Wärmetransportflüssigkeit ausfließt und das gesamte System funktionsunfähig wird. Weiterhin werden noch ίο einlaßseitige und auslaßseitige Verteilerstücke verwendet, mit denen jeder Kollektor flüssigkeitsdicht verbunden werden muß, wobei dann jede dieser Dichtungen einen Punkt für einen potentiellen Austritt der Flüssigkeit darstellt

Gemäß der eingangs genannten US 32 27 153 ist die U-förmige Rohrleitung am Eintrittsende gasdicht mit dem Gehäuse verbunden und innerhalb des Gehäuses durch einzelne Met?ilklemmen abgestützt Diese Klemmen können jedoch in keiner Weise für eine angemessene Wärmeübertragung vom Gehäuse zur Rohrleitung sorgen. Weiterhin ist bei der bekannten Anordnung nachteilig, daß die aus Metall bestehende Rohrleitung in das äußere Glasrohr eingeschmolzen ist, um eine Vakuumkammer zu bilden. Dabei ist eine Reparatur des Glasgehäuses äußerst schwierig, wenn das Glas gebrochen ist und Strömungsmittel austritt oder das Vakuum verlorengeht

Weiterhin ist aus der US 39 74 824 eine Solarheizeinrichtung bekannt bei der ein inneres Rohr für ein durchfließendes und zu erwärmendes Wärmeträgermedium von zwei zylindrischen Schutzrohren konzentrisch umschlossen ist Dabei absorbiert das innere Schutzrohr einfallende Sonnenstrahlen und leitet sie über radial verlaufende Rippen zum inneren Wärmeträgerrohr.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Solarkollektor der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß das Gehäuse einfach und schnell montiert oder ausgewechselt werden kann und trotzdem eine gute Wärmeübertragung von dem Gehäuse auf die das Wärmetransportmittel führende Leitung erhalten wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die aufgeschnittene, federnde Buchse nicht nur die das Wärmetransportmittel führende Leitung haltert, sondern durch seine kraft- und formschlüssige Anbringung auch für einen großflächigen Wärmeübergang sorgt Da ferner die Leitung kein Bestandteil des Gehäuses ist, das vorteilhafterweise aus Glas besteht und eine Vakuum-Kammer bildet, kann bei einem Bruch des Gehäuses auch kein Wärmetransportmittel austreten, so daß zwar der Wirkungsgrad etwas kleiner wird, aber die Funktionstüchtigkeit der Anlage ingesamt erhalten bleibt

Bei dem Solarkollektor gemäß der Erfindung ist weiterhin von Vorteil, daß die das Wärmetransportmittel führende U-förmige Leitung in ein offenes Ende des Gehäuses eingeführt wird. Dadurch kann die aus Metali bestehende Leitung unabhängig von dem aus Glas bestehenden Gehäuse gefertigt und transportiert werden, und bei einem Bruch des Gehäuses kann dieses am Betriebsort einfach ausgewechselt werden.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Solarkollektor gemäß einem Ausfüh-

rungsbeispiel mit und ohne rohrförmigem Gehäuse, weiches teilweise zur übersichtlicheren Darstellung weggebrochen gezeigt ist,

F i g. 2 einen Schnitt durch die Buchse und die Leitung nach Fig. 1,

F i g. 3 eine Draufsicht einer Anordnung mehrerer Solarkollektoren,

F i g. 4 eine Endansicht der Anordnung nach F i g. 3,

F i g. 5 einen Schnitt eines Teils der Anordnung nach Fig. 3,

F i g. 6 ei:, anderes Ausführungsbeispiel eines Kollektors nach Fig. i,

F i g. 7 ist ein Schnitt der F i g. 6.

Fig.8 zeigt alternative Einrichtungen als Leitfläche und als Flüssigkeitsleitung.

F i g. 9 ist ein Schnitt der F i g. 8.

F i g. 1 zeigt im oberen Teil ein vollständiges Solarkollektor-Element, während in dem unteren Teil das rohrförmige Gehäuse weggenommen ist Die Leitung 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 Leitungen 10 von getrennten Solarkollektor-Elementen können zu einer einzigen leckfreien Leitung verbunden werden durch Verwendung von in der Installationstechnik üblichen Verbindungen 12, beispielsweise Weichlotstellen (dieses Konzept ist dargestellt in Figur 4 der US 32 27 153). Durch diese Anordnung werden die Leckprobleme überwunden, welche bei Solarkollektoren aufgetreten sind, wenn organische Materialien in Form von Schlauchleitungen verwendet wurden.

Wie in den F i g. 1 und 2 gezeigt, besitzt die Leitung 10 in jedem der einzelnen Solarkollektor-Elemente eine U-förmige Gestalt Erfindungsgemäß steht dabei der obere Schenkel des U (in den Abbildungen gesehen) im Wärmeaustausch mit einem gebogenen Teil aus Metallblech, das als Buchse 14 bezeichnet ist In der Anordnung nach F i g. 2 ist die Buchse 14 mit einem Kanal ausgestattet zur Aufnahme des oberen Schenkels der Leitung 10. Es kann sich jedoch die Buchse 14 um den gesamten U-förmigen Aufbau der Leitung herum erstrecken. Es können dabei bekannte Hilfsmittel zur Verbesserung des thermischen Kontaktes zwischen der Buchse 14 und der Leitung 10 verwendet werden, beispielsweise die Verbindung dieser Teile durch Verschweißen oder durch Spachtelmassen (F i g. 7).

In dem oberen TOI der Fig. 1 sind das Innenrohr 16 und das Außenrohr \8 abgebildet Am linken Ende sind die Rohre 16 und IS miteinander verbunden. Am rechten Ende sind diesft Rohre jedoch nicht miteinander verbunden. Diese Anordnung wird dort bevorzugt, wo eine stärkere Längenausdehnung des Innenrohrs 16 im Vergleich zum Außßirohr 18 wegen ihrer Temperaiurdifferenzen erwartet wird. Wenn zu erwarten ist, daß diese Temperaturdifferenzen nicht erheblich sind, dann kann eine Anordnung verwendet werden, bei welcher beide Enden der Rohre miteinander verbunden sind (F i g. 3 der US 9 80 505). Der Zwischenraum zwischen den beiden Rohren wird dabei evakuiert oder ausgepumt, um den Wärmeübergang vom Innenrohr auf das Außenrohr zu reduzieren. Die Spitze 20 des Außenrohrs 18 wird dann durch Abquetschen verschlossen. Gewünschtenfalls kann in dem evakuierten 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 16 und des Außenrohrs 18.

Zur Erzielung eines maximalen Wärmeübergangs vom Innenrohr 16 auf die Buchse 14 wird diese mit einem Außendurchmesser hergestellt, welcher geringfügig größer ist als der Innendurchmesser des Innenrohrs 16. Wenn dann die Kombination aus Innenrohr und Außenrohr über die Buchse 14 geschoben wird, dann liegt diese unter Spannung an der Innenwand des Innenrohrs an. Offensichtlich wird die Buchse 14 so lang wie möglieh gemacht

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 α/ε um auf diese Weise eine maximale Strahlung zu erhalten, welche als Wärme durch das Innenrohr 16 absorbiert und durch das Rohr hindurch zur Buchse 14 und zur Leitung 10 geleitet wird und dadurch die Flüssigkeit in der Leitung 10 erhitzt

Die Fig.3 zeigt einen Teil einer Anordnung von mehreren einzelnen Solarkollektoren 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 F i g. 4 und 5 ersichtlich ist, werden die einzelnen Solarkollektoren 24 von einem Strahlungs- Reflektor 26 getragen, welcher auch noch Sonnenstrahlung auf diese Elemente zurück reflektiert Polster 28 (F i g. 5) umgeben die einzelnen Solarkollektoren 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 Solarkollektoren 24. Schutzteile 32 können aus irgend einem formbaren oder flexiblen Material bestehen und dienen zur Befestigung der rechten Enden der Rohre 16, 18 in der Innenwand 34 des Behälters 36. Der Behälter 36 besitzt in der Abbildung keine Abdeckung; es kann jedoch als Addeckung und zur Verhinderung eines Bruchs eine Platte aus einem Polykarbonat-Kunstharz verwendet werden.

Es ist auch möglich, die Leitung 10 so anzuordnen,

daß die U-förmige Anordnung senkrecht steht (F i g. 6

so und 7) anstellen der horizontalen Lage nach den F i g. 1 und 3. Weiterhin kann als ein Teil des Solarkollektors 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. Alternative Formen der Buchse sind möglich. Die Buchse 40 ist durch Extrudieren hergestellt und es werden dabei als integraler Bestandteil Flüssigkeitsleitungen 42 gebildet Die Enden der Buchse 40 können dabei gewünschtenfalls überlappt sein (F i g. 8 und 9).

Es ist zu beachten, daß irgendeine thermische Expansion oder Kontraktion des Gehäuses relativ zur Buchse 14 und ihrer Leitung 10 keine Spannung zwischen diesen beiden Teilen erzeugt, da diese nicht starr miteinander verbunden sind.

Wenn in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ein Gehäuse aus Glasrohr besteht, 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 bildet

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Solarkollektor mit einem zylindrischen, rohrförmigen Gehäuse, das an dem einen Ende verschlossen ist und an dessen anderem Ende eine ein Wärmetransportmittel führende U-förmige Leitung hinein- und herausführt, die relativ zum Gehäuse in einer festen Lage gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus zwei ineinandergeschobenen, an jeweils einem Ende offenen, transparenten Rohren (16, 18) gebildet ist, die an ihren offenen Enden luftdicht miteinander verbunden sind und in der dazwischen gebildeten Kammer ein Vakuum enthalten, wobei das Innenrohr (16) den Absorber bildet, und daß die in das offene Ende des Gehäuses hinein- und herausführende Leitung (10) auf ihrem geraden Abschnitt mit einer zylindrischen, in Längsrichtung aufgeschnittenen Buchse (14) aus federndem Metallblech in Wärmeleitungsverbindung steht, wobei die Buchse (14) auf ihrem Umfang und ihrer Länge unter Druck gegen die Innenfläche des Gehäuses festklemmbar und wärmeleitend anliegt

2. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Buchse (40) einstückig mit einer Flüssigkeitsleitung (42) ausgebildet ist.

3. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche des Innenrohres (16) mit einem absorbierenden Überzug mit hohem Absorptions- und geringem Emissionsvermögen versehen ist.

4. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Solarkollektoren (24) durch Verbindungen (12) der Leitungen (10) strömungsmäßig in Reihe verbunden sind.