DE2930942A1

DE2930942A1 - Kollektor fuer sonnenstrahlen

Info

Publication number: DE2930942A1
Application number: DE19792930942
Authority: DE
Inventors: Jean-Louis Marchand; Daniel Semanaz
Original assignee: Rhone Poulenc Industries SA
Current assignee: Rhone Poulenc Industries SA
Priority date: 1978-08-02
Filing date: 1979-07-31
Publication date: 1980-02-21
Also published as: GB2034021B; GR69658B; CH632833A5; IT1122694B; ZA793896B; IT7924892A0; ES483038A1; IL57940A; NL7905950A; IL57940A0; BE878040A; GB2034021A

Description

PATENTANWALT DR. HANS-GUNTHER EGGERT₁ DIPLOMCHEMIKER

5 KÖLN 51, OBERLÄNDER UFER 90 2930942

Beschreibung :

Die Erfindung betrifft einen Kollektor für Sonnenstrahlen zum Einfang von Sonnenenergie.

Es bestehen zahlreiche Ausführungsformen von Sonnenenergiekollektoren, die auf der Basis des Treibhauseffektes arbeiten, was mit dem Effekt eines schwarzen Körpers zusammenhängt. Diese Kollektoren besitzen im allgemeinen hohle Platten oder Rohre, die die Sonnenstrahlung absorbieren und im Inneren von transparenten Behältern angeordnet sind, die den Treibhauseffekt sicherstellen. Im Inneren der Platten oder Rohre zirkulieren Fluids für den Wärmetransport in kältere Bereiche.

Derartige Sonnenenergiekollektoren sind beispielsweise in der französischen Offenlegungsschrift 2 298 066 beschrieben. Diese besitzen im Inneren einer Umhüllung ein Strahlenabsorptionselement, das aus einer metallischen Platte mit rauher oder schwarz angestrichener Oberfläche gebildet wird, wobei auf der der Sonne nicht ausgesetzten Seite ein schlangenförmiges Metallrohr befestigt ist. Obwohl ein derartiger Kollektor im allgemeinen gut funktioniert, besitzt er doch Nachteile. So

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ist er schwer und starr und daher unhandlich, so daß er nur schlecht zu transportieren und zu installieren ist.

Es wurde auch bereits ins Auge gefasst, die Kollektoren nicht starr auszuführen, so daß sie aufrollbar sind, um den Transport zu erleichtern. Derartige Kollektoren sind in der französischen Off enlegungsschrift 2 3o7 233 beschrieben. Dieser Kollektor besteht aus einem flexiblen Material, das derart gestaltet ist, daß Kanäle für die Zirkulation des wärmetransportierenden Fluids gebildet werden. Er ist leicht transportierbar, da er aufrollbar ist, besitzt jedoch den Nachteil, daß er Frost oder einem Druck der wärmeübertragenden Flüssigkeit oberhalb des atmosphärischen Drucks schlecht widersteht, während ferner die Fluidströmung Richtungsänderungen von 18o° unterworfen wird, wodurch beträchtliche Druckverluste hervorgerufen werden.

Ziel der Erfindung ist es, einen Sonnenstrahlenkollektor zur schaffen, der leicht transportierbar ist und eine gute Absorption der Sonnenstrahlung sicherstellt. Ferner soll der Sonnenstrahlenkollektor billig herstellbar und leicht montierbar sein. Diese Aufgabe wird durch einen Sonnenstrahlen- >kollektor gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er wenigstens ein Rohr aufweist, das wenigstens einen geradlinigen Bereich besitzt, wobei das Rohr zur Zirkulation des wärmeübertragenden Fluids dient und aus einem Material besteht, das ausgewählt ist aus organischen oder Organosiliciumkautschuksorten oder organischen thermoplastischen Produkten, sowie wenigstens zwei flexible wärmeleitende Folien von kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Struktur aufweist, die paarweise mit ihren Flächen aneinander zur Aufnahme wenigstens eines geradlinigen Bereichs des Rohrs zwi-

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sehen sich aneinander befestigt sind.

Das Rohr dient zur Zirkulation des wärmeübertragenden Fluids und muß daher aus einem Material bestehen, das gute Widerstandsfähigkeit gegen thermisches Altern und gegen Korrosion besitzt sowie eine genügende thermische Leitfähigkeit aufweist. Wenn ferner das Rohr dazu verwendet wird, um Wasser für die Körper- bzw. Gesundheitspflege zu transportieren, muß das Material ferner Nahrungsmittelqualität aufweisen und gegen Kesselsteinablagerung widerstandsfähig sein.

Das Rohr kann beispielsweise aus einem Material hergestellt sein, das ausgewählt ist aus:

einem organischen thermoplastischen Material wie Polyäthylen mit. niedriger Dichte, Polyvinylchlorid, Polyamiden, Polyestern,

Elastomermaterialien wie natürliche oder synthetische organische Kautschukarten sowie Organosiliciumkautschukarten.

Die organischen Kautschukarten werden vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe derjenigen, die wärmewiderstandsfähig sind, wie etwa Butyl-, Äthylenpropylenkautschukarten, Polyurethane .

Die Organosiliciumkautschukarten besitzen alle eine gute Wärmefestigkeit; sie können daher in dieser Gruppe unter denjenigen ausgewählt werden, die leicht extrudierbar und härtbar sind. Vorzugsweise verwendet man diejenigen Elastomere, die durch Wärmehärtung oberhalb von 1oo°C erhalten werden, Substanzen, die hauptsächlich Diorganopolysiloxane, mineralische Füllstoffe und organische Peroxide enthalten.

Derartige Materialien sind in den französischen Patentschriften 1 142 443, 1 382 285, 1 486 53o und 2 o17 663 beschrieben.

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Man kann auch Elastomere verwenden, die durch Wärmehärtung oberhalb von 60⁰C erhalten werden, wobei es sich um Materialen handelt, die hauptsächlich aus Diorganopolysiloxanpolymeren mit einem geringen Anteil an Vinyl- oder Allylgruppen (etwa o,1 bis 1 %) in Bezug auf die gesamten Gruppen, die an die Siliciumatome gebunden sind, und gegebenenfalls mineralische Füllstoffe, Wasserstofforganopqlysiloxane und einen Platinkatalysator enthalten. Derartige Materialien sind in den französichen Patentschriften 1 314 679, 1 36o 9o8, 1 511 598, 2 0I6 914 und 2 2o2 915 beschrieben.

Der Rohrquerschnitt kann von einfacher geometrischer Form sein, beispielsweise oval, elliptisch, quadratisch und vorzugsweise kreisförmig.

Der Durchmesser der Rohre (unter dem Ausdruck "Durchmesser" wird hier der äußere Durchmesser verstanden) kann in einem großen Bereich variieren. Wenn man jedoch handhabbare und leicht zu installierende Kollektoren herstellen will, ist es vorteilhaft, den Durchmesser der Rohre zwischen 5 und 5o mm, vorzugsweise zwischen 7 und 4o mm, zu wählen, während die Wandstärke von Rohren in diesem Durchmesserbereich gewöhnlich zwischen o,2 und 4 mm, vorzugsweise zwischen o,3 und 3 mm, liegt.

Wenn das wärmeübertragende Fluid, das ein Gas_r beispielsweise Luft, oder eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser sein kann, durch das Rohr bei einem Druck oberhalb von atmosphärischem Druck strömt oder wenn die Flüssigkeit gefrieren kann, wird das Rohr vorzugsweise durch eine äußere Hülle verstärkt, die aus einem Netz aus Fäden oder Fasern besteht. Dieses Netz kann aus synthetischen Fäden oder Fasern beispielsweise aus Polyamid oder Polyester oder aus Glasfasern oder metallischen Drähten bestehen. Das Netz

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kann aus einzelnen Fäden, etwa aus Fasern, hergestellt aein, oder die Fäden oder Fasern können vorher in die Form einer Litze gebracht worden sein. Um das äußere Netz zu bilden, können die Fäden oder Fasern spiralförmig um das Äußere des Rohrs gewickelt sein, vorzugsweise sind sie geflochten, gestrickt oder gewebt.

Eine äußere Hülle aus einem Netz aus Metalldrähten bedeckt vorzugsweise mit seinen Drähten 25 bis 85 % und vorzugsweise 3o bis 75 % der Oberfläche des Rohrs. Die Metalldrähte können aus Kupfer, Aluminium oder Stahl bestehen und ihr Durchmesser kann zwischen o,o5 und o,4 mm, vorzugsweise zwischen o,o8 und o,35 mm liegen.

Die äußere Hülle kann gleichzeitig mit der Herstellung des Rohrs auf der Außenfläche des Rohrs direkt am Ausgang eines Extruders, der zur Herstellung des Rohrs dient, hergestellt und aufgebracht werden. Dies gibt den Rohren eine Druckfestigkeit gegenüber dem durchströmenden Fluid für Drücke von mehr als 1o bar.

Wenn im nachfolgenden Text einfach von einem "Rohr" gesprochen wird, so kann dieses umhüllt oder nicht umhüllt sein und dient zum Transport des wärmeübertragenden Fluids.

Die wärmeleitenden Folien werden aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt. Sie können aus einem Plastikmaterial bestehen, das beispielsweise mit Russ oder mit Metallteilchen als Füllstoff versehen ist. Vorzugsweise bestehen die Teilchen aus Metall, etwa Kupfer, Stahl und Aluminium eignen sich gut. Vorzugsweise verwendet man Aluminium.

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Unter einer "zusammenhängenden Struktur" der wärmeleitenden Folie versteht man, daß die Folien keine Löcher aufweisen, sie sind vielmehr mit starken Filmen oder mit dünnen Blechen vergleichbar.

Die Stärke der wärmeleitenden Folie mit zusammenhängender Struktur muß ausreichend sein, um beträchtliche Wärmeflüsse absorbieren und übertragen sowie Zugkräften widerstehen zu können, die auf die Kollektoren während ihrer Herstellung, ihrer Anbringung und ihrer Betriebslage ausgeübt werden. Stärken zwischen o,o2 und o,3 mm eignen sich im allgemeinen gut.

Unter wärmeleitenden Folien mit "nicht zusammenhängender Struktur" versteht man Folien mit Löchern, diese können beispielsweise aus Stoffen gebildet werden, die durch Weben, Stricken, Flechten oder Wickeln hergestellt sind.

Der Stoff oder das Gewebe können aus Metalldrähten, beispielsweise aus Kupfer, Stahl oder Aluminium bestehen, deren Durchmesser zwischen o,1 und o,4 mm, vorzugsweise zwischen o,15 und o,35 mm liegt. Vorzugsweise besitzt das Gewebe eine dichte Struktur derart, daß die Fläche der Löcher höchstens 60 % der Gesamtfläche der Folie beträgt.

Die Stärke der wärmeleitenden Folien mit nicht zusammenhängender Struktur ist größer als diejenige der Folien mit zusammenhängender Struktur, in den Bereichen, wo sich die Fäden kreuzen, kann sie o,2 bis 0,8 mm erreichen.

Die wärmeleitenden Folien■sind Fläche an Fläche paarweise befestigt, um das Rohr derart aufzunehmen, daß die Folien

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in einer Ebene im wesentlichen senkrecht zum Rohr beidseitig von diesem verlaufen.

Unter "der Breite der dem Rohr zugeordneten wärmeleitenden Folie" versteht man die Breite oder den Teil der Breite der wärmeleitenden Folie senkrecht zur Achse des Rohrs und der am Wärmeaustausch mit dem geradlinigen Bereich des Rohrs, an dem die Folie befestigt ist, teilnimmt. In der nachfolgenden Beschreibung von verschiedenen Ausführungsformen des Kollektors wird dies näher erläutert.

Der Fachmann kann als Funktion der Stärke der wärmeleitenden Folien, dem Durchmesser des Rohrs, der zu transportierenden Wärmemenge das Verhältnis der Breite der wärmeleitenden Folie verbunden mit dem Rohr zum Außendurchmesser des Rohrs bestimmen. Im allgemeinen liegt dieses Verhältnis zwischen 2,5 und 1o, vorzugsweise zwischen 3,5 und 8.

Die Befestigung der wärmeleitenden Folie mit zusammenhängender Struktur aneinander kann beispielsweise durch Warmverklebung erfolgen. Diese Technik erfordert die Verwendung von Folien, die vorher auf einer Seite mit einem hitzehärtbaren Lack auf der Basis von üblichen organischen Verbindungen wie Polyäthylen, Epoxy- oder Acryl- oder Polyimidharzen oder Polyamidimide oder Silikone versehen ist.

Die beschichteten Seiten der Folie werden gegeneinander gelegt und die Verklebung durch Anwenden beispielsweise einer auf die Temperatur der Hitzehärtung des Harzes gebrachten Rolle auf die Bereiche beidseitig des Bereichs, in dem sich das Rohr befindet, vorgenommen. Allgemein liegt diese Temperatur im Bereich von 1oo bis 22o C.

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Die Befestigung der beiden Folien aneinander kann auch durch andere Verfahren vorgenommen werden, die die gleiche Wirksamkeit wie das Wärmeverkleben besitzen.

Man kann beispielsweise die Folien durch Vernieten oder durch Verschweißen miteinander verbinden. So wird die Befestigung der wärmeleitenden Folien mit nicht zusammenhängender Struktur vorzugsweise durch Verschweißen vorgenommen.

Bei Verwendung von wärmeleitenden Folien aus verzinnten Kupfer-, Aluminium- oder Stahldrähten ist es leicht, durch Hindurchführen der Gesamtheit aus Rohr und Folien zwischen zwei auf 2oo bis 4oo C erhitzten Rollen mit kreisförmigen Ausnehmungen wirksam die beiden Folien beiderseits des Rohrs miteinander zu verschweißen, wobei sich das Rohr mit dem Teil der Folie, die es umgibt, in den kreisförmigen Ausnehmungen der Rollen befindet. Wenn die Drähte aus Kupfer, Aluminium oder Stahl nicht verzinnt sind, kann man die Folie mit einer Elektroschweißeinrichtung punktverschweißen.

Um einen Kollektor herzustellen, bei dem ein geradliniger Rohrbereich zwischen zwei wärmeleitenden Folien aus geflochtenem Gewebe eingebettet ist, wird es bevorzugt, anstelle des Einführens des Rohrs zwischen die beiden wärmeleitenden Folien um das Rohr herum eine kreisförmige Umflechtung anzubringen, deren Durchmesser größer als derjenige des Rohrs ist, beispielsweise 1,6 bis 6,4 mal grosser. Zur kontinuierlichen Durchführung einer derartigen Herstellung kann man eine mehrfädige Wickelmaschine verwenden, die das Flechtwerk entsprechend dem Abzug des Rohrs herstellt und anlegt. Die Wickelmaschine kann mehrere Dutzend Bobinen aufweisen, die im allgemeinen Bahnen

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haspeln, die mehrere Fäden gruppieren τ

Die Einheit aus Rohr und schlauchförraxgem Wickel wird dann zwischen zwei erhitzte mit kreisförmigen Ausnehmungen versehene Rollen geführt, die wie vorstehend beschrieben verwendet werden. Die Rollen drücken den Wickel flach und legen diesen in analoger Form zu der der Folien beiderseits des Rohrs flach. Wenn die Drähte aus Kupfer, Aluminium oder Stahl des Wickels verzinnt sind, nehmen die Rollen zusammen das Zusammendrücken des Wickels und das Befestigen durch Verschweißen der resultierenden Folien miteinander vor. Wenn die Folien nicht verzinnt sind, bewirken die Rollen lediglich ein Zusammendrücken des Wickels und es ist wie vorstehend ausgeführt notwendig, schließlich die Folien mit Hilfe beispielsweise eines Elektroschweißgerätes zu verschweißen I

Vorzugsweise die Außenfläche der wärmeleitenden Folie, die den Sonnenstrahlen ausgesetzt wird, ist mit einer dunklen Farbe versehen oder besitzt ein mattes Aussehen. Hierzu kann eine Farbe, beispielsweise schwarze, graue, grüne, rote, blaue Farbe aufgebracht werden, die dazu bestimmt ist, die Sonnenstrahlen zu adsorbieren. Die nicht der Sonne ausgesetzte Oberfläche des Kollektors kann mit einer Beschichtung aus zellenförmigem Material versehen sein. Diese Beschichtung dient zur guten thermischen Isolierung gegenüber der Fläche, mit der diese Fläche nach der Installation des Kollektors in Berührung steht.

Die Stärke des zellenartigen Materials ist nicht kritisch; um jedoch einen wesentlichen Anstieg der Kosten des Kollektors zu vermeiden, ist es zweckmäßig eine Stärke zwischen o,3 und 4o mm zu verwenden.

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Beispielsweise kann das zellenartige Material ausgewählt sein aus Phenolschäumen, Polyvinylchloridschäumen oder Polyurethanschäumen oder Glaswolle oder Steinwolle sein.

Vorstehend wurde immer von zwei wärmeleitenden Folien gesprochen, jedoch können die Kollektoren eine wärmeleitende der Sonne ausgesetzte Folie und eine nicht der Sonne ausgesetzte wärmeleitende Folie aufweisen, die beispielsweise durch Umfalteneiner einzigen wärmeleitenden Folie mit einer Oberfläche gleich der Gesamtheit der Oberfläche der beiden wärmeleitenden Folie gebildet sein, wobei jedoch auch hier aus praktischen Gründen von zwei wärmeleitenden Folien gesprochen wird.

Die geometrische Form der wärmeleitenden Folien ist nicht kritisch, vorzugsweise wählt man einfache geometrische Formen, beispielsweise quadratische oder rechteckige Form.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Kollektors.

Figur 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie A-A von Figur

Figur 3 ist eine Draufsicht auf eine besondere Anordnung des Kollektors gemäß Figur 1.

Figur 4 ist eine Draufsicht auf eine zweite Ausfuhrungsform, eines Kollektors.

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Figur 5 ist eine Draufsicht auf eine dritte Ausführunqsform eines Kollektors.

Figur 6 zeigt einen Schnitt längs der Linie B-B der Figuren 4 und 5.

Figur 7 ist eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform eines Kollektors.

Figuren 8 und 9 sind Draufsichten auf weitere Ausführungsformen von Kollektoren.

Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Kollektor gemäß der ersten Ausführungsform besitzt ein gerade verlaufendes Rohr und zwei wärmeleitende Folien 2, 3, die aneinander unter Einbettung des Rohrs 1 derart befestigt sind, daß vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zum Rohr 1 die Folien 2, 3 sich beiderseits von dem Rohr 1 erstrecken. Die Breite der wärmeleitenden Folien 2, 3, die zu dem Rohr 1 gehören, ist nicht irgendeine, sondern sie ist derart ausgewählt, daß das Verhältnis der Breite der wärmeleitenden Folie zum äußeren Durchmesser des Rohrs 1 zwischen 2,5 und 1o und vorzugsweise zwischen 3,5 und 8 liegt. Auf diese Weise ist einem Rohr von 2o mm äußerem Durchmesser eine wärmeleitende Folie mit einer Breite zwischen 5ö und 2oo mm zugeordnet.

Die wärmeleitenden Folien 2, 3 des Kollektors sind im allger meinen flach auf dem Boden von durchsichtigen Zellen ausgebreitet, um den Treibhauseffekt sicherzustellen. Sie können jedoch auch leicht in anderer Form (beispielsweise parabolisch, halbzylindrisch) angeordnet werden, um eine bessere Konzentration des Wärmeflusses in Richtung zu dem Rohr 1 sicherzustellen.

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Die wärmeleitenden Folien können auch geneigt bezüglich des Bodens der Zelle durch geeignete Mittel gehalten werden, wenn der Boden der Zelle horizontal verläuft. Diese Anordnung begünstigt die Absorption der Sonnenstrahlung.

Der in Figur 1 dargestellte Kollektor wird hergestellt, indem das Rohr 1 zwischen zwei wärmeleitenden Folien einer Breite eingehüllt wird, dass der erhaltene Kollektor direkt in einer transparenten Zelle verwendbar ist. Beim Anbringen werden mehrere Kollektorelemente vorzugsweise hintereinander geschaltet mit Hilfe von geeigneten Verbindungsstücken miteinander verbunden, die an den Enden des Rohrs 1 angebracht werden, so daß sich eine zick-zack-förmige Anordnung entsprechend Figur 3 ergibt.

Die wärmeleitenden Folien der Kollektorelemente werden allgemein in der gleichen Ebene oder in parallelen Ebenen angeordnet .

Mehrere miteinander in Reihe verbundene Kollektorelemente werden vorzugsweise mit Hilfe eines einzigen Rohrs gebildet, das in vorzugsweise regelmäßigen Intervallen zwischen zwei wärmeleitenden Folien eingebettet wird, um die Verwendung von Verbindungsstücken zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kollektorelementen zu vermeiden.

Die Art der Anordnung gemäß Figur 3 kann auch mit einem Kollektorelement großer Länge verwirklicht werden, das aus einem Rohr gebildet wird, das zwischen zwei wärmeleitenden Folien in Bandform in der Mittelachse der Bänder eingebettet wird. Die in Figur 3 dargestellte besondere Anordnung zeigt eine Anordnung von Kollektorelementen nebeneinander, die

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untereinander durch gekrümmte Stücke 6 verbunden sind, die nicht ummantelte Teile des Rohrs 1 sind.

Ein derartiger Kollektor großer Länge kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß das Rohr nach der Extrusion am Ausgang des Extruders und gegebenenfalls nach einer Umhüllung zwischen zwei wärmeleitende Folien geführt wird, die sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Vorschubgeschwindigkeit des Rohrs 1 abwickeln. Eine rollenaufweisende Führungseinrichtung ermöglicht das korrekte Anlegen der beiden Folien eine unterhalb und eine oberhalb des Rohrs. Die Anordnung von Figur 3 kann auch nach folgendem Verfahren hergestellt werden: Man enthüllt in vorgewählten identischen oder unterschiedlichen Intervallen längs der Länge des Kollektorelementes Teile des Rohrs durch Entfernen (beispielsweise durch Abschneiden) der wärmeleitenden Folie, bis das Rohr bloßgelegt ist. Die Länge jedes freigelegten Teils des Rohrs besitzt als Länge wenigstens die Breite der wärmeleitenden Folien.

Die obere Grenze für die Länge jedes enthüllten Teils des Rohrs ist eine Funktion der gewünschten Geometrie der Anordnung; es ist jedenfalls zum Reduzieren der zu entfernenden Flächen an wärmeleitender Folie bevorzugt, daß die Länge nicht das fünffache der Breite der Folien überschreitet. Die freigelegten Teile des Rohrs werden dann vorzugsweise mit einem matten oder dunklen Farbanstrich versehen*

Man erhält dann im ersten Schritt eine Kollektoreinheit, die aus mehreren Segmenten von Kollektorelementen analog zu den Kollektorelementen gemäß Figur 1 gebildet wird, die untereinander durch freigelegte Teile des Rohrs verbunden sind. Die Länge jedes Segmentes und die Anzahl der Segmente

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hängt ebenfalls von der gewünschten Geometrie der Anordnung ab.

In einem zweiten Schritt wird das gesamte an den freigelegten Stellen des Rohrs in Zick-Zack-Form gelegt, um Krümmungen zu bilden und die Segmente nebeneinander anzuordnen, so daß die wärmeleitenden Folien der einzelnen Kollektorelemente im wesentlichen in der gleichen Ebene oder in parallelen bezüglich des Bodens der transparenten Zelle oder des transparenten Behälters geneigten Ebenen angeordnet sind.

Die Rohransätze 4 und 5 am Eingang und am Ausgang für das wärmeübertragende Fluid können Rohrstücke sein, die beispielsweise durch Anschweißen oder Ankleben an das Rohr 1 gebildet werden, jedoch handelt es sich vorzugsweise um freigelegte Teile des Rohrs 1.

Der Kollektor gemäß der zweiten Ausführungsform dargestellt in Figur 4 besitzt zwischen zwei wärmeleitenden Folien mehrere geradlinige Bereiche des Rohrs 1, die hintereinander geschaltet und durch gekrümmte Verbindungsstücke 6 in Zick-Zack-Form angeordnet sind, wobei die gekrümmten Verbindungsstücke 6 nicht zwischen den beiden wärmeleitenden Folien eingebettet sind. Die Rohransatzstücke 4 und 5 sind für die Zu- bzw. Ableitung des wärmeführenden Fluids vorgesehen.

Der Kollektor gemäß Figur 5 ist analog zu demjenigen von Figur 4, jedoch sind die gekrümmten Verbindungsstücke 6 von der wärmeleitenden Folie 2, die der Sonne ausgesetzt ist, jedoch nicht von der wärmeleitenden Folie 3, die nicht der Sonne ausgesetzt ist, bedeckt. Die Rohranschlussstücke 4 und

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5 sind durch Freilegen des Rohrs 1 durch Abschneiden der wärmeleitenden Folien 2, 3 an den Stellen 7 und 8 gebildet.

Figur 6 zeigt einen Schnitt längs der Linie B-B senkrecht zu den wärmeleitenden Folien 2, 3 der Kollektoren nach den Figuren 4 und 5, wobei ersichtlich ist, daß auf der nicht der Sonne ausgesetzten Seite eine Schicht 9 aus zellenförmigem Material angeordnet ist.

Bei den Ausführungsformen der Figuren 4 und 5 sind die geradlinigen Bereiche des Rohrs 1 vorzugsweise parallel zueinander und in regelmäßigem Abstand zwischen den wärmeleitenden Folien 2, 3 angeordnet.

Der Bereich der wärmeleitenden Folie, der durch zwei benachbarte geradlinige Bereiche des Rohrs 1 begrenzt wird, ist jeweils zur Hälfte den beiden geradlinigen Bereichen des Rohrs 1 zugeordnet, die ihn begrenzen.

Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden geradlinigen Bereichen des Rohrs 1 wird derart gewählt, daß das Verhältnis des Teils der Breite der wärmeleitenden Folie, die an dem Wärmeaustausch mit einem geradlinigen Bereich des Rohrs teilnimmt, zum äußeren Durchmesser des Rohrs zwischen 2,5 und To und vorzugsweise zwischen 3,5 und 8 liegt.

Obwohl in der vorstehenden Beschreibung von geradlinigen Bereichen des Rohrs 1 gesprochen wurde, ist nicht ausgeschlossen, daß der Kollektor Rohre aufweist, die beispielsweise transversal gewellt sind. Ein derartiger Kollektor ist in Figur 7 dargestellt.

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Unter dem Ausdruck "geradliniger Bereich" werden daher auch Bereiche des Rohrs verstanden, die nur im Mittel geradlinig sind. Zwei benachbarte geradlinige Bereiche können von einem gleichen Rohr (Figur 4) oder von zwei verschiedenen Rohren (Figur 8) gebildet werden. Die Kollektorelemente können auch mehrere zwischen den wärmeleitenden Folien eingebettete Rohre umfassen. Zwei Ausführungsformen derartiger Kollektorelemente sind in den Figuren 8 und 9 dargestellt.

Das Kollektorelement gemäß Figur 8 besitzt eine Vielzahl von im wesentlichen parallelen zwischen zwei wärmeleitenden Folien 2, 3 eingebetteten Rohren 1, wobei jedes Rohr 1 Rohransätze 4, 5 aufweist. Derartige Kollektorelemente werden vorzugsweise hintereinander geschaltet, wobei die einander entsprechenden Rohre von zwei benachbarten Kollektorelementen hintereinander geschaltet werden. Das Kollektorelement gemäß Figur 9 besitzt zwei Rohre 1 eingebettet zwischen zwei wärmeleitenden Folien 2, 3, wobei die beiden Rohre 1 analog zu Figur 4 eingebettet sind.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Kollektorelemente schränken die Erfindung nicht ein, es gibt weitere Ausführungsformen, die vom Fachmann verwirklicht werden können und unter die Erfindung fallen.

Beispielsweise können die geradlinigen Bereiche des Rohrs zwischen zwei wärmeleitenden Folien derart eingesetzt werden, daß die dem Sonnenlicht nicht ausgesetzte wärmeleitende Folie in Form einer Vielzahl von Bandabschnitten vorhanden ist, wobei die geradlinigen Bereiche des Rohrs genau längs der Mittelachse des Bandes eingesetzt sind. Die Breite der mit dem Rohr verbundenen wärmeleitenden Folie ist in diesem

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Fall die Breite der der Sonne ausgesetzten wärmeleitenden Folie, die zu dem Rohr gehört.

Die vorstehend beschriebenen Kollektoren sind hauptsächlich als Absorptionselemente für Sonnenstrahlung verwendbar. Sie können jedoch auch als Wärmetauscher angewendet werden. Hierfür genügt es, in dem Rohr ein Fluid vorzusehen, das auf eine Temperatur gebracht wird, die wenigstens 2o C größer als die Temperatur der Umgebung ist, die erhitzt werden soll. Die von diesen Wärmetauschern gelieferte Wärmeleistung liegt in der Größenordnung derjenigen von Radiatoren, die gewöhnlich aus Gusseisen oder aus Stahlblech bestehen. Im Falle dieser Verwendung der Absorptionselemente ist es für ein gutes Funktionieren nicht unbedingt notwendig, die wärmeleitenden Folien mit einer matten oder dunklen Farbe zu versehen.

Das nachfolgende Beispiel 5 beschreibt die Verwendung eines solchen Absorptionselementes als Wärmetauscher.

Die Sonnenstrahlkollektoren gemäß der Erfindung besitzen zahlreiche Vorteile.

Da sie nicht starr sind, sind sie leicht in Rollenform zu transportieren, auszurollen und auf die gewünschte Länge zu schneiden. Der Anschluss des Rphrs des Kollektors an den Stromkreis für das wärmeführende Fluid ist leicht durchzuführen, da es genügt, die Enden des Rohrs freizulegen und diese mit entsprechenden Anschlüssen zu versehen.

Aufgrund der Wahl der für den Kollektor verwendeten Materialien wird dieser nur geringen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt und widersteht sowohl Frost als auch Korrosion

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gut. Die Wahl der verwendeten Materialien für das Rohr gewährt überdies eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Kesselsteinabsatz und "Lebensmittelqualität".

Die Kollektoren können leicht in transparenten Behältern oder Zellen angeordnet werden, um den Treibhauseffekt sicherzustellen.

Desweiteren sind die beschriebenen Kollektoren leicht herzustellen und gegebenenfalls zusammenzufügen, wobei der geringe Preis der Ausgangsmaterialien ebenso wie das leichte Installieren große Vorteile für den Anwender bringen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Ein Rohr aus einem rohen Silikonelastomeren mit einem inneren Durchmesser von 1o mm und einem äußeren Durchmesser von 12 mm wird durch Extrusion mit einer Geschwindigkeit von 8 m/min hergestellt. Das für die Herstellung des Rohrs verwendete rohe Silikonelastomer wird aus der Mischung folgender Bestandteile hergestellt:

1oo Teile eines Ot- U -bis (Trimethylsiloxy) dimethylpolysiloxangummis mit einer Viskosität von 45 Millionen cPoise bei 25 C enthaltend o,3 % Methylvinylsiloxygruppen, 6o Teile Siliciumdioxid aus der Verbrennung stammend mit

einer spezifischen Oberfläche von 2oo m /g behandelt durch Octamethylcyclotetrasiloxan,

3 Teile eines d-ti -Dihydroxydimethylpolysiloxanöls einer Viskosität von 5o cPoise bei 25 C,

2 Teile eines Anteigungsmittels in 5o Gew.% 1,4-Dichlorbenzoylperoxid in einem Silikonöl.

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Am Austritt des Extruders durchläuft es während 3o sec einen auf 28o C erhitzten Ofen, um das Elastomer zu vernetzen, wonach das Rohr durch eine Mehrfadenwickelmaschine läuft, die Glasfasern verwendet, die jeweils aus 32 Elementarfasern gebildet sind.

Das Rohr verläßt die Wickelmaschine, indem es mit einer Umflechtung aus Glasfasern versehen ist. Das Rohr wird dann zwischen zwei Aluminiumbänder geführt, wobei jedes Band eine Breite von 6 cm, eine Stärke von o,o12 cm und eine Seite versehen mit einem hitzehärtbaren Acryllack aufweist, der bei etwa 15o°C schmilzt.

Die beiden Bänder werden dann durch eine Führungseinrichtung, die mit Rollen versehen ist, mit ihren Flächen gegeneinander und das Rohr vollständig einhüllend in Eingriff gebracht, wobei die miteinander in Eingriff stehenden Flächen diejenigen sind, die die Acryllackbeschxchtung aufweisen. Das Verkleben der Bänder wird vorgenommen, indem das vorgeformte Kollektorelement unter zwei auf 18o C erhitzte und im Abstand von 1,6 cm angeordnete Rollen geführt wird, wobei der Abstand dem Bereich entspricht, in dem sich das Rohr befindet. Schließlich wird eine der beiden Seiten des Kollektorelementes mit einer schwarzen matten Farbe, die widerstandsfähig gegen Sonnenstrahlen ist, versehen. Hierbei handelt es sich um die Verwendung von wärmeabsorbierenden Folien mit zusammenhängender Struktur. . _;

Beispiel 2

Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung eines Kollektors gemäß Beispiel 1 in einer Anordnung gemäß Beispiel 3 und die Verwendung dieser Anordnung zum Einfangen der Sonnenstrahlung.

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_ 25 _

Entlang eines Kollektors großer Länge und in regelmäßigen Intervallen wird das Rohr auf einer Länge von 14 cm durch entsprechendes Ausschneiden des Aluminiumbandes freigelegt. Man erhält auf diese Weise eine Einheit bestehend aus 12 Segmenten einer Länge von jeweils 15o cm, die durch freigelegte Teile des eingehüllten Rohrs miteinander, verbunden sind. Die freigelegten Teile werden mit der vorher erwähnten Farbe angemalt.

Die Segmente werden in der Anordnung von Figur 3 angeordnet und dann auf den Boden eines quaderförmigen Kastens aus Polyester installiert, der eine Länge von 17o cm, eine . Breite von 7o cm und eine Höhe von 3 cm aufweist. Dieser Kasten wird mit einer Glasplatte mit einer Stärke von 5 mm bedeckt.

-,
ι

Unter einem Neigungswinkel von 45 wird der Kasten auf einer nach Süden gerichteten Terrasse angeordnet. Durch das Rohr läßt man einen Wasserstrom unter einem Druck von 1 bar strömen. Der Wasserstrom durchläuft und erhitzt einen Vorratsbehälter, der 7o Liter Wasser fasst. Die empfangene Sonnenenergie wird mit Hilfe eines Solarimeters und die aufgenommene Energie mit Hilfe eines Kalorimeters gemessen. Die Versuche werden jeden Tag von 1o bis 18 Uhr durchgeführt. Die Resultate der Messungen zeigen, daß das für eine Sonneneinstrahlung, die dem Sonnenkollektor (gebildet aus dem Kollektorelement und dem Kasten) eine tägliche mittlere Leistung im Intervall von 3oo bis 6o< Ausbeute zwischen 4o und 6o % liegt.

Leistung im Intervall von 3oo bis 6oo W/m liefert, die

Beispiel 3

Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung eines Kollektorelementes mit wärmeleitenden Folien mit nicht zusammen-

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hängender Struktur.

Ein Rohr aus einem Silikonelastomeren mit einem inneren Durchmesser von Io mm und einem äußeren Durchmesser von 12 mm identisch zu dem Rohr gemäß Beispiel 1 wird mit einer Geschwindigkeit von 8 m/min in eine erste mehrfädige Wickelmaschine mit 24 Bobinen geführt, die jeweils eine Wicklung von vier Drähten aus verzinntem Kupfer bei einem Durchmesser des Drahtes von o,2 mm haspeln. Das Rohr, das die erste Wickelmaschine verläßt, ist mit einer Wicklung versehen und besitzt einen Durchmesser, der wenig größer als 12 mm ist, wobei die Drähte etwa 45 % der äußeren Oberfläche des Rohrs bedecken. Das umhüllte Rohr wird mit der Geschwindigkeit von 8 m/min in eine zweite mehrfädige Wickelmaschine mit 36 Bobinen geführt, die jeweils eine Wicklung aus elf verzinnten Kupferdrähten haspeln, wobei der Durchmesser des Drahtes o,3 mm beträgt.

Das Rohr verläßt die zweite Wickelmaschine umgeben von der ersten Wicklung und ferner von einer zweiten kreisförmigen Wicklung mit einem Durchmesser von 4o mm. Durch Verwendung von zwei Metallrollen mit kreisförmigen Nuten, die übereinander angeordnet und auf 3oo C erhitzt sind/ wird die Umhüllung mit dem Durchmesser von 4o mm auf beiden Seiten des Rohrs plattgedrückt. Auf diese Weise wird ein Kollektorelement gemäß der Erfindung hergestellt, das aus einem Silikonelastomer eingehüllt in eine Umhüllung aus Kupferdrähten und versehen mit zwei wärmeleitenden Folien aus

wird
geflochtenem Stoff gebildet^ die jeweils 6 cm breit und an den Rändern miteinander verbunden sind, wobei das Rohr zwischen den beiden Folien eingeschoben und zentriert angeordnet ist.

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Zum Verbessern der absorbierenden Eigenschaften wird schließlich auf einer Seite eine matte schwarze gegenüber Sonnenstrahlung resistente Farbe aufgetragen.

Beispiel 4

Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung einer Anordnung gemäß Figur 3 mit Kollektorelementen gemäß Beispiel 3 und
die Verwendung hiervon als Sonnenkollektor.

In regelmäßigen Intervallen schneidet man längs der Länge
eines Kollektorelements großer Länge die wärmeleitende Folie des geflochtenen Stoffes derart ab, daß in jedem Intervall das umwickelte Rohr auf einer Länge von 14 cm freigelegt wird, so daß man insgesamt zwölf Segmente von 15o cm
Länge erhält, die untereinander durch die freigelegten umflochtenen Rohrabschnitte verbunden sind. Letztere werden
mit der vorgenannten Farbe angestrichen.

Die zwölf Segmente werden nebeneinander entsprechend der
Anordnung gemäß Figur 3 auf dem Boden eines Kastens aus
Polyester mit den Abmessungen von 17o χ 7o. χ 3 cm angeordnet, wobei die angestrichene Fläche der Segmente nach oben zeigt. Der Kasten wird mit Hilfe einer Polyesterplatte
(Polypropylenmaleophthalat) verschlossen, die auf ihrer
Außenseite eine Polyvinylidenfluoridbeschichtung aufweist, die ultraviolette Strahlung zurückhält. Der auf diese Weise gebildete Kollektor wird entsprechend Beispiel 2 zum Erhitzen eines Vorratsbehälters von 7o Liter Wasser verwendet. Die Messresultate liegen in derselben Größenordnung wie
bei Beispiel 2 für das Kollektorelement mit wärmeleitenden Folien zusammenhängender Struktur.

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Beispiel 5

Dieses Beispiel beschreibt die Verwendung einer Anordnung gemäß Beispiel 2 als Wärmetauscher. Die wärmeleitenden Folien sind nicht mit schwarzer Farbe angestrichen.

Die Anordnung besitzt eine nutzbare Fläche von etwa 1 m und ist auf einer Metallunterlage mit einer Abmessung von 155 χ 75 cm angeordnet. Das Gesamte wird vertikal über dem Boden einer Werkstatt angeordnet, deren Abmessung 25 χ 15 χ 5 m ist und deren Temperatur in der Größenordnung von 2o°C liegt. Die Anordnung der Kollektorelemente läßt man dann als Wärmetauscher funktionieren, indem man durch das Rohr aus dem Silikonelastomeren einen Strom aus heißem Wasser in einer Menge von 12o l/h bei einer Eintrittstemperatur von 8o°C strömen läßt.

Man stellt durch Messung des Temperaturunterschiedes zwischen dem eintretenden und dem austretenden Wasserstrom

fest, daß der Wärmetausch der Fläche von 1 m gleichmäßig an die Luft in der Werkstatt eine Wärmeleistung von 45o Watt abgibt.

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Claims

PATENTANWALT DR. HANS-GUNTHER EGGERT₁ DIPLOMCHEMIKER

5 KÖLN 51, OBERLÄNDER UFER 90 2930942

Köln, den 3o. Juli 1979 66

Rhone-Poulenc Industries, 22, Avenue Montaigne, 75 Paris 8eme (Frankreich)

Kollektor für Sonnenstrahlen

Patentansprüche r

1/ Kollektor für Sonnenstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß er aus wenigstens einem Rohr mit wenigstens einem geradlinigen Bereich besteht, wobei das Rohr für den Durchfluss des wärmeführenden Fluids dient und aus einem Material ausgewählt aus organischen oder Organosiliciumkautschukarten oder aus organischen thermoplastischen Produkten besteht, und wenigstens zwei flexible wärmeleitende Folien zusammenhängender oder nicht zusammenhängender Struktur aufweist, die in wenigstens einem geradlinigen Bereich des Rohrs auf beiden Seiten hiervon das Rohr einhüllend aneinander befestigt sind.
2. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Breite oder des Teils der Breite der wärmeleitenden Folie, der einem geradlinigen Bereich des Rohrs zugeordnet ist, zum Außendurchmesser des Rohrs zwischen 2,5 und 1o liegt.

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3. Kollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei wärmeleitenden Folien wenigstens zwei geradlinige Bereich des Rohrs eingebettet sind, wobei die geradlinigen Bereiche des Rohrs untereinander durch ein gekrümmtes Verbindungsstück verbunden sind.
4. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr einen Durchmesser zwischen 5 und 5o mm, vorzugsweise zwischen 7 und 4o mm aufweist.
5. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr aus einem organischen thermoplastischen Material ausgewählt aus Niederdruckpolyäthylen, Polyvinylchlorid, Polyamiden und Polyestern besteht.
6. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr aus einem organischen Kautschuk ausgewählt aus Butyl-, Äthylenpropylenkautschukarten und Polyurethanen besteht.
7. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr aus einem Organosiliciumkautschuk besteht, der durch Wärmehärtung von Substanzen erhalten wird, die im wesentlichen Diorganopolysiloxankautschuk, mineralische Füllstoffe und organische Peroxide enthalten.
8. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitenden Folien durch Wärmekleben, Verschweißen oder Nieten aneinander befestigt sind.

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9. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitenden Folien Metallfolien sind.
10. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolien von zusammenhängender Struktur sind und eine Stärke zwischen o,o2 und o,3 mm aufweisen.
11. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolien aus nicht zusammenhängender Struktur aus einem Gewebe oder Stoff aus Metalldraht bestehen, wobei der Draht einen Durchmesser von o,1 bis o,4 mm aufweist.
12. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolien aus Aluminium bestehen.
13. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche der wärmeleitenden der Sonne ausgesetzten Folie mit einem Anstrich aus dunkler und matter Farbe versehen ist.
14. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht der Sonne ausgesetzte Fläche des Kollektors mit einer Beschichtung aus einem zellenförmigen Material versehen ist.
15. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr durch eine äußere Umwicklung aus einem Netz aus synthetischen oder Glasfasern verstärkt ist.

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16. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr durch eine äußere Umwicklung aus einem Netz aus Metalldrähten mit einem mittleren Durchmesser zwischen o,o5 und o,4 mm verstärkt ist.
17. Kollektor nach einem der Ansprüche 1,2 oder 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß er einen einzigen .geradlinigen Rohrabschnitt eingehüllt zwischen zwei wärmeleitenden Folien aufweist.
18. Kollektor nach einem der Ansprüche 1,2 oder 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein geradliniger Bereich des Rohrs zwischen zwei wärmeleitenden Folien in Bandform im wesentlichen längs der Mittelachse dieser Bänder eingehüllt ist.
19. Kollektor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Kollektorelemente in Hintereinanderschaltung miteinander verbunden und zick-zack-förmig derart angeordnet sind, daß sich die wärmeleitenden Folien im wesentlichen in der gleichen oder in parallelen Ebenenbefinden.
20. Kollektor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß Kollektorelemente nebeneinander angeordnet und untereinander durch eine Reihe von gekrümmten Verbindungsstücken verbunden sind, die freigelegte Teile des Rohrs darstellen.
21. Verfahren zur Herstellung eines Kollektors nach Anspruch 2o, dadurch gekennzeichnet, daß man in regelmäßigen oder nicht regelmäßigen Intervallen längs der Länge des Kollektors Teile des Rohrs freilegt, in-dem die Bänder ausgeschnitten werden, wobei jeder freigelegte Teil eine Länge wenigstens gleich der Breite des Bandes aufweist,

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und daß die gebildeten Kollektorelemente an den freigelegten Teilen des Rohrs zur Bildung von gekrümmten Verbindungsstücken umgebogen werden, so daß sich die Bänder der Kollektorelemente im wesentlichen in der gleichen oder in parallelen Ebenen befinden.
22. Verwendung eines Kollektors nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und 15 bis 18 als Wärmetauscher.

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