DE2816945A1

DE2816945A1 - Two sided flat solar heat collector - has curved mirrors symmetrically mounted in relation to longitudinal axis

Info

Publication number: DE2816945A1
Application number: DE19782816945
Authority: DE
Inventors: Alfred Prof Dr Boettcher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-04-19
Filing date: 1978-04-19
Publication date: 1979-10-25
Also published as: AU532096B2; IT7921751A0; AU4611979A; BR7902413A; IT1112234B; ES479699A1; GR72938B

Abstract

The flat solar heat collector is open for irradiation at both front and back and receives additional rays via mirrors. The transparent cover on each side is less than 10cm clear of the absorbent collector surface and below the plane defined by the lower cover one or more mirrors are mounted symmetrically in relation to the lengthwise or transverse collector axis. At least 60% of the mirror reflective surface is curved to a radius between 0.8 and 8 times that of the length of narrow collector side. It is so mounted in relation to the collector that perpendiculars on more than 40% of the reflective surface do not strike the collector surface.

Description

Hochtemperatur-Flachkollektor High temperature flat plate collector

Flache Solarkollektoren sind heute wesentlich weiter in Richtung auf industrielle Reife entwickelt als konzentrierende Kollektoren. Der Grund ist ihre breite Anwendbarkeit für die Erhitzung von Brauchwasser, zum Teil auch ihr wesentlich geringerer Preis pro Flächeneinheit. Sie erreichen jedoch aufgrund der naturgegebenen geringen Einstrahlungsdichte auf der Absorberfläche im Gegensatz zu den konzentrierenden Kollektoren mit ihren in weiten Grenzen variablen Konzentrationafaktoren nur relativ niedrige Temperaturen des Wirsetransportoediuns, was besonders dann nachteilig ist, wenn die solare Energie innerhalb Carnot'scher Kreisprozesse genutzt werden soll. Flat solar collectors today are much further in the direction of Developed to industrial maturity as concentrating collectors. The reason is its broad applicability for the heating of domestic water, partly also you significantly lower price per unit area. However, you achieve because of the in contrast to the natural low radiation density on the absorber surface to the concentrating collectors with their widely variable concentration factors only relatively low temperatures of the Wirsetransportoediuns, what especially then it is disadvantageous if the solar energy is used within Carnot's cycle processes shall be.

Es wurden daher schon verschiedene Versuche gemacht, durch Verwendung von Spiegeln die Strahlungsdichte auf den Absorberflächen flacher Solarkollektoren zu erhöhen. Dies ist leicht erreichbar, jedoch nur dann von praktischer Bedeutung, wenn die nutzbare Apertur der Kombination Flachkollektor plus Spiegel für alle Einstrahlungs-2 richtungen nennenswert erhöht wird und zugleich die Kosten pro m nutzbare Apertur nicht wesentlich erhöht werden Fa ne der-bisher vorgeschlagenen Formen erfüllt diese Bedingungen hinreichend, was darauf zurückzuführen ist, dass bei den bisher vorgeschlagenen Spiegelformen mit grösser werdender Apertur der Winkelbereich der Einstrahlung, für den sie zugleich nutzbar ist, d.h. die Strahlen wirklich auf den Kollektor reflektiert werden, zu klein wurde. Dies ist leicht erkennbar für Anordnungen mit planen Spiegeln, ob sie nur auf der Vorder- oder auf der Vorder- und Rückseite angeordnet werden. Für den Fall gekrümmter Spiegel ist die Zahl der Möglichkeiten so vielfältig, dass die systematische Eingrenzung optrmaler Anordnungen bisher nicht gelungen ist. Various attempts have therefore been made by use from mirrors the radiation density on the absorber surfaces of flat solar collectors to increase. This is easily achievable, but only of practical importance if the usable aperture of the combination flat plate collector plus mirror for all irradiation 2 directions is significantly increased and at the same time the cost per m of usable aperture Fa ne of the forms proposed so far does not meet this requirement Conditions sufficient, which is due to the fact that the previously proposed Mirror shapes with increasing aperture the angular range of irradiation, for which it can be used at the same time, i.e. the rays really reflect on the collector became too small. This is easily recognizable for arrangements with flat mirrors, whether they are only arranged on the front or on the front and back. In the case of curved mirrors, the number of possibilities is so varied that the systematic delimitation of optrmal arrangements has not yet succeeded.

Den heutigen Stand der Technik zeigen die folgenden Beispiele: 1. Doppel-Einstrahlungskollektor, vorgeschlagen von A.F.Souka,Cairo, 1965 und abgewandelt von D.C.Larson und C.W. Savery (P.A.191o4, USA) und Theo Lenz (Deutsche Patentanmeldung 25 57 843): In allen Fällen werden ebene Spiegel verwandt, die nur für einen sehr engen Winkelbereich eine nennenswerte Erhöhung der spezifischen Einstrahlung auf der absorbierenden Kollektorfläche ergeben. Die Erzielung eines plateau-Effekts der Einstrahlung vom Vgr- bis zum Nachmittag ist entweder gar nicht oder nur in sehr geringem Umfang möglich. The following examples show the current state of the art: 1. Double radiation collector, proposed by A.F.Souka, Cairo, 1965 and modified by D.C. Larson and C.W. Savery (P.A. 191o4, USA) and Theo Lenz (German patent application 25 57 843): In all cases are used flat mirrors that only a noticeable increase in the specific irradiation for a very narrow angular range on the absorbing collector surface. Achieving a plateau effect the irradiation from Vgr to the afternoon is either not at all or only in very small scope possible.

2.Bei einer anderen Gruppe von Lötungsversuchen (Deutsches Patent 2547 351, USA-Patente 3951128 und 4003366) werden zwar gekrümmte Spiegel verwandt, diese jedoch mit dem lichtabsorbierenden Kollektorteil in einen geschlossenen Kasten eingebaut, wie er für normale Flachkollektoren üblich ist. Durch die gekrümmten Spiegel ist zwar die Abhängigkeit der nutzbaren Apertur von der Einfalls richtung Strahlung verringert; durch die Integration von Absorber und Spiegel in einen Kasten verliert das Spiegelprinzip jedoch seinen Sinn, da die Kosten pro Flächeneinheit nutzbarer Apertur und stärker noch pro extrahierbarer Wärmeeinheit deutlich grösser sind als bei ablichten Flachkollektoren.2. In another group of soldering attempts (German patent 2547 351, USA patents 3951128 and 4003366) curved mirrors are used, This, however, with the light-absorbing collector part in a closed box built-in, as is usual for normal flat-plate collectors. Through the curved Mirror is the dependence of the usable aperture on the direction of incidence Radiation decreased; by integrating absorber and mirror in one box However, the mirror principle loses its meaning, since the costs per unit area usable aperture and even more per extractable thermal unit is significantly larger than in the case of photographed flat-plate collectors.

In keinem Fall werden optimale Spiegelformen vorgeschlagen. In no case are optimal mirror shapes suggested.

3.Einen Spiegel mit relativ günstiger Krümmung und nicht in den Absorberkasten integriert schlag G.Falbel 2r einem Vortrag "The FES Dclta Focusing Solar Collector" (SPIE Vol. 68 (1975) Solar Energy Utilization, S 112 - 119) vor. Auch dieser Vorschlag hat jedoch zwei grundlegende Nachteile: Wegen der unsymmetrischen Anordnung des Spiegels zu der Mittelachse des Kollektors ist bei keiner Position des Kollektors die in vielen Fällen erwünschte Plateaubildung der aufgenommenen Solarenergie über die Mitte des Tages möglich. Aus dem gleichen Grunde ist die Grösse der nutzbaren Apertur vom Einfallswinkel der Strahlung stArker abhängig als bei symmetrischer Anordnung einer Spiegelfläche glei cher absoluter Öffnung symmetrisch zur Mittellinie des Kollektors.3. A mirror with a relatively favorable curvature and not in the absorber box integrated schlag G.Falbel 2r a lecture "The FES Dclta Focusing Solar Collector" (SPIE Vol. 68 (1975) Solar Energy Utilization, pp 112-119). This proposal too However, it has two fundamental disadvantages: Because of the asymmetrical arrangement of the The mirror to the central axis of the collector is not at any position of the collector the in many cases desirable plateau formation of the absorbed solar energy the middle of the day possible. For the same reason, the size of the usable Aperture depends more strongly on the angle of incidence of the radiation than with symmetrical ones Arrangement of a mirror surface with the same absolute opening symmetrically to the center line of the collector.

4.Der Vollständigkeit halber sei auch der bekannte Winston-Spiegel (Deutsches Patent 2624221) erwähnt, der nicht mehr als Flachkollektor anzusprechen ist und es neben anderen Nachteilen nicht ermöglicht, in irgendeiner Position eine Plateaubildung der absorbierten So 1er energie in der Tagesmitte zu erzielen (sofern er nicht ii Sinne der üblichen konzentrierenden Kollektoren der Sonne nachgeführt vird).4. For the sake of completeness, let us also consider the well-known Winston mirror (German patent 2624221) mentioned, which can no longer be addressed as a flat plate collector is and, among other disadvantages, does not allow one in any position To achieve a plateau formation of the absorbed solar energy in the middle of the day (if he did not track the sun in the sense of the usual concentrating collectors vird).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen sollen Flachko>lektor mit Spiegel zu schaffen, bei dem durch den Spiegel die spezifische Einstrahlung auf dem Absorber vergrössert wird, die nutzbare Apertur des Spiegels sich mit dem Einfallswinkel der Strahlung im Mittel möglichst wenig ändert, der bei entsprechender Aufstellung eine Plateaubildung der absorbierten Energie über die Tagesmitte ermöglicht und der schliesslich einen so einfachen konstruktiven Aufbau hat, dass die Investitionskosten pro absorbierte Einheit eingestrahlter Sonnenenergie geringer sind als bei den heute bekannten Flachkollektoren. Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Hauptanspruchs; vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand dc nteransprüce Uberraschenderweise lässt sich eine Gruppe von Spiegelformen und Spiegelanordnungen eingrenzen, die besonders günstige Einstrahlungswerte bei beidseitig optisch offenen Flachkollektoren ergeben.Es sind dies auf der sonnenabgewandten Seite ("Unterseite") der Kollektorebene aufgestellte, überwiegend gekrümmte Spiegel ("Unterspiegel"), mit Krümmungsradien, die für mehr als 50 Z der Spiegel fläche innerhalb des Intervalls o,8 bis 8 nal die Länge der Schmalseite des Kollektors liegen. Diese Spiegel sind im allgemeinen nur einachsig gekrümmt, nur in Sonderfällen können zweiachsig gekrümmte Spiegel sinnvoll sein. Entscheidend für den Einstrahlungsgewinn ist ausser der Form und Grösse des Spiegels seine Aufstellung im Verhältnis zum Flachkollektor. Bei den so definierten Spiegeln ist, anders als bei früher vorgeschlagenen, die höchste Einstrahlung auf dem Kollektor dann gegeben, wenn weniger als 60 Z der auf der Spiegelfläche möglichen Normalen die Kollektorfläche treffen.The invention is based on the object of providing a Flachko> lektor to create with mirror, in which through the mirror the specific irradiation is enlarged on the absorber, the usable aperture of the mirror with the The angle of incidence of the radiation changes as little as possible on average Setup enables the absorbed energy to form a plateau over the middle of the day and which ultimately has such a simple design that the investment costs per absorbed unit of irradiated solar energy are lower than they are today known flat plate collectors. The inventive solution to this problem is characterized by the features of the main claim; are advantageous embodiments of the invention Subject of the claims Surprisingly, a group of mirror shapes and mirror arrangements that have particularly favorable irradiation values Flat-plate collectors that are optically open on both sides are found on the one facing away from the sun Side ("underside") of the collector plane, mostly curved mirrors ("Unterpiegel"), with radii of curvature, the surface for more than 50 Z of the mirror within the interval 0.8 to 8 nal the length of the narrow side of the collector lie. These mirrors are generally only curved uniaxially, only in special cases biaxially curved mirrors can be useful. Decisive for the gain in radiation apart from the shape and size of the mirror, its position in relation to the Flat plate collector. In the case of the mirrors defined in this way, unlike in the case of the previously proposed, the highest irradiation on the collector is given when less than 60 Z der on the mirror surface possible normals meet the collector surface.

Bei der Verwendung von Spiegeln können zwei grundsätzlich verschiedene Ziele angestrebt werden: Entweder eine über den ganzen Tag integriert möglichst hohe, auf die Kollektorf'he von der Unterseite eingestrahlte Zusatzenergie (beisp elsweise für die Erwärmung von Brauchwasser), oder die überproportionale Erhöhung der nutzbaren Einstrahlung in den Morgen- und Nachmittagsotunden, um so ein Plateau des Energieangebots vom Vor- bis zun Nachmittag zu erzielen (z,B für solare Kleinkraftwere). Im ersten Fall ist es bei den hier defirerten Spiegeln zweckmässig, die Flachkollektoren mit ihrer ISragsset in O-W-Richtung aufzustellen. Der (Die) parallel zu beiden Längsseiten liegende (n) Spiegel kann (können) vorteilhaft so angeordnet werden, wie in Fig. 1 ( Schnitt senkrecht zur O-W-Richtung) angegeben. Optimale Ergebnisse über das ganze Jahr werden erhalten, wenn die Neigung des Kollektor-Spiegelsystems im Frühjahr und Herbst jeweilig einmal geändert wird (senkrechte Inzidenz der Sonnenstrahlung auf den Flachkollektor um den 6. Juni und 6. November) Bei dieser Anordnung erfolgt eine annähernd proportionale Erhöhung der Einstrahlung über den üblichen sinus-Verlauf. Erfolgt, wie beschrieben, zweimal jährlich eine Änderung der Neigung des Kollektors, erhöht sich die pro Flächeneinheit des Kollektorkörpers absorbierte Sonnenenergie bei dem in Fig. 1 gezeigten Spiegelsystem im Mittel um den Faktor 2,6; bleibt die Gesamtanordnung über das ganze Jahr unverändert in derselben Stellung, erhöht sich die absorbierte Sonne energie im Mittel um den Faktor 1,46. In beiden Fällen ist dabei das Reflektionsvermögen der Spiegel o,8 Der spezifische Gewinn ist umso grösser, je länger der Kollektor Ln der O-W-Richtung ausgedehnt ist, da dann die Verluste am Ost- und Westrand in den Morgen- bzw. Abendstunden prozentisch am geringsten werden. Bei kürzeren Kollektoren können zur Verringerung der Randverluste die Spiegel beidseitig verlängert werden.When using mirrors, there can be two fundamentally different ones Aims to be striven for: Either one integrated over the whole day if possible high additional energy radiated onto the collector shaft from the underside (ex e.g. for heating domestic water), or the disproportionate increase the usable irradiation in the morning and afternoon tones to create a plateau of the energy supply from morning to afternoon (e.g. for small solar power plants). In the first case, it is advisable to use the flat-plate collectors for the mirrors defected here with their ISragsset To be set up in E-W direction. The parallel Mirror (s) lying on both long sides can advantageously be arranged in this way are as indicated in Fig. 1 (section perpendicular to the E-W direction). Optimal Year-round results are obtained if the inclination of the collector-mirror system is changed once in spring and autumn (vertical incidence of solar radiation on the flat plate collector around June 6th and November 6th) With this arrangement takes place an approximately proportional increase in radiation over the usual sinus curve. If, as described, the incline of the collector is changed twice a year, the solar energy absorbed per unit area of the collector body increases in the mirror system shown in FIG. 1 on average by a factor of 2.6; remains the Overall arrangement unchanged throughout the year in the same position, increases the absorbed solar energy on average by a factor of 1.46. In both cases it is the reflectivity of the mirror o, 8 The specific gain is all the greater, the longer the collector Ln is expanded in the E-W direction, then the losses the lowest percentage in the morning and evening hours on the eastern and western fringes will. With shorter collectors, the mirrors can be used to reduce edge losses be extended on both sides.

Eine Erhöhung der relativen Energieausbeute in den Morgen- und Nachmittagsstunden wird erreicht bei Aufstellung des Kollektors mit seinex Längs ausdehnung in N-S-Richtung. Fig. 2 zeigt einen O-W-Schnitt durch das Kollektor-Spiegelsystem in diesem Falle. Der Spiegel bleibt inner halb derselben Kategorie, die Krümmungskreismittelpunkte liegen im Mittel jedoch weiter nach aussen von der Kollektorkante entfernt Abb. 3 zeigt den in diesem Falle angestrebten "Plateau-Effekt" der absorbierten Leistung Zwischen 8 und l6h sind die grössten Abweichungen von dem Mittelwert der absorbierten Energie- 5 Z. ZugLeich hat sich die insgesamt zwischen 8 und 16h absorbierte Energie um den Faktor 1,4 erhöht. Berücksichtigt man, dass die Wärmeverluste des KoTLektors im allgemeinen über 200 Wlm2 liegen, dass außerdem wegen der höheren spezifischen Einstrahlung auf der Absorberfläche die Temperatur des Wärmetransportmediums und damit der Wirkungsgrad eines Carno=- Kreisprozesses nennenswert erhöht wird, steigt die im Mittel pro Flächeneinheit gewinnbare mechanische Leistung um mehr als den Faktor2.An increase in the relative energy yield in the morning and afternoon hours is achieved when the collector is set up with itsx longitudinal extension in N-S direction. Fig. 2 shows an O-W section through the collector mirror system in this case. The mirror remains within the same category, the centers of the circle of curvature are on average further away from the collector edge Fig. 3 shows the "plateau effect" of the absorbed power aimed for in this case Between 8 and 16h are the greatest deviations from the mean value of the absorbed Energy- 5 Z. ZugLeich has the total energy absorbed between 8 and 16 hours increased by a factor of 1.4. If one takes into account that the heat losses of the KoTLektor are generally over 200 Wlm2 that also because of the higher specific Irradiation on the absorber surface the temperature of the heat transport medium and so the efficiency of a Carno = - Cycle process worth mentioning is increased, the mean mechanical power that can be obtained per unit area increases by more than a factor of 2.

Bei O-W-Aufstellung können am Ost- und Westrand parallel zur Schmalseite des Kollektors, die in N-S-Richtung verläuft, für N-S-Richtung optimale Teilspiegel verwandt werden. und sinngemäss entsprechend O-W-optimierte Tejispiegel am Nord- und Südrand in N-S-Richtung aufgestellter Kollektoren.With east-west installation, the east and west edges can be parallel to the narrow side of the collector, which runs in the N-S direction, optimal partial mirrors for the N-S direction be used. and correspondingly east-west optimized Teji mirror on the north and south edge of collectors set up in north-south direction.

In Sonderfällen kann es nützlich sein, von einem oberhalb der Kollektorfläche liegenden Spiegel üblicher Bauart noch zusätzlich Energie auf die Oberfläche des Kollektors zu reflektieren.In special cases it can be useful from one above the collector surface lying mirror of conventional design still additional energy on the surface of the Reflective collector.

Eine besonders einfache und kostensparende Aus führungs form der Unter spiegel besteht darin, ebene, glänzende Bleche geringer Dicke innerhalb ihrer Elastizitätsgrenze einachsig zu biegen und in Fixpunkten, die an dem den Flachkollektor tragenden Gestell angebracht sind, so zu halten, dass die beschriebene Krümmung resultiert.A particularly simple and cost-saving embodiment of the sub mirror consists of flat, shiny sheets of small thickness within their elastic limit to bend uniaxially and in fixed points on the frame supporting the flat plate collector should be held in such a way that the described curvature results.

Ein besonders geeignetes Material für die Spiegel sind Bleche aus einer Al-Basislegierung, die chemisch geglänzt und eloxiert werden können. Sie können, wenn sie durch Erosion oder Korrosion ihr Reflexionsvermögen verloren haben, ausgetauscht und neu geglänzt werden.Sheet metal is a particularly suitable material for the mirrors an Al-based alloy that can be chemically polished and anodized. You can, if they have lost their reflectivity due to erosion or corrosion, replaced and be shined again.

Bei der beschriebenen Ausführungsform sind dle Herstellkosten des Kollektors pro Flächeneinheit nicht höher als bei den heute üblichen, optisch einseitigen Kollektoren. Die Kosten der zugehörigen Spiegelflächen betragen pro Flächeneinheit 7 - lo % de;enigen des Kollektors. Da pro Flächeneinheit des Kollektors bei den angegebenen Beispielen etwa 3,5 Flächeneinheiten Spiegel verwandt wurden, die erzielte mittlere Wirkung pro Flächeneinheit des Kollektors aber mehr als verdoppelt wird, sind die spezifischen Kollektorkosten wesentlich geringer als bei den bisher verwandten oder vorgeschlagenen LbsungenO LeerseiteIn the embodiment described, the manufacturing costs are the Collector per unit area not higher than the one-sided optically common today Collectors. The costs of the associated mirror surfaces are per unit area 7 - lo% de; enigen of the collector. Since per unit area of the collector with the given examples about 3.5 surface units of mirror were used, which achieved average effect per unit area of the collector is more than doubled, the specific collector costs are significantly lower than with the previously used ones or suggested solutions Blank page

Claims

Patent claims polar flat plate collector on the front and back is optically open to solar irradiation and additional irradiation via mirrors receives, characterized in that the transparent cover of both collector sides the light-absorbing collector surface at a distance of less than lo cm from the outside atmosphere closes off> and below that through the lower transparent one Cover surface specific plane and approximately symmetrical to the length and / or Transverse axis of the collector one or more mirrors are arranged, in which at least 60 Z of the mirroring surface eo are curved that all radii of curvature are at least 0.8 times and at most 8 times as large as the length of the narrow side of the collector and whose position is fixed to the collector 8o that the normals to more than 40 X the mirror surface does not hit the collector surface.

2. Solar flat plate collector according to claim 1, characterized thereby, that the collector body has a length to width ratio of over 4 and with is set up in the longitudinal direction in east-west direction.

3. Solar flat plate collector according to claim 1, characterized in that that the collector body is set up with the longitudinal direction in N-S direction.

4. Solar flat muck according to claim 1 - 3, characterized that the mirror surfaces arranged under the collector consist of flat metal sheets, which, as far as they are curved, have only been elastically deformed.