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Röhrenkollektor
Die Erfindung betrifft einen Röhrenkollektor, bestehend aus wenigstens einem für
das Sonnenlicht durchlässigen inneren Rohr (Hüllrohr), das in seinem parallel zur
Achse verlaufenden unteren Bereich mit einem Reflektor versehen ist, und einem innerhalb jedes Hüllrohres angeordneten äußeren Rohr, das mit einem im Wellenlängenbereich
von 0,3 pm bis 1,8 &mgr;&igr;&tgr;&igr; absorbierenden Absorber versehen ist, sowie
an den Enden des Röhrenkollektors angeordneten üblichen Anschluß- und Dichteinrichtungen.
Unter den verschiedenen Typen von Solarkollektoren, der Umwandlung von Sonneneinstrahlung
in Wärme dienend, stellen neben den Flachkollektoren die Röhrenkollektoren eine bedeutende Gruppe dar. Bei Vakuum-Kollektoren bietet sich der
Röhrenkollektor besonders an, da ein als Rohr geformtes Glas eine bessere Druckfestigkeit
aufweist als zwei gegeneinander abgestützte Glasplatten.
Marktgängige Röhrenkollektoren enthalten in einem Hüllrohr ein beschichtetes Absorberblech,
das sich durch die Sonnenstrahlung erwärmt und Kupferrohre mit einer Wärmeträgerflüssigkeit erhitzt. Die Absorberplatte ist üblicherweise aus Kupfer oder
Aluminium. Sie ist mit einer selektiven Absorptionsbeschichtung versehen, d.h. einer
Beschichtung, die möglichst viel Sonnenlicht absorbiert und möglichst wenig davon
als Wärmestrahlung wieder abgibt. Gegebenenfalls besteht eine solche Beschichtung
auch aus mehreren Schichten. Übliche Kennwerte sind Absorptionsgrade von 90 % bis 98 % und Emissionsgrade von 5 % bis 20 %. Die Schwarzchrom-Schicht,
die aus Einlagerungen von metallischen Chrompartikeln in Chromoxid besteht und eine mikrorauhe Oberfläche aufweist, ist das am weitesten verbreitete Beschichtungsmaterial
für Absorber. Sehr effektiv ist Titanoxidnitrid, das aufgedampft wird, mit einem Emissionsgrad von nur ca. 5-6 %. Solche Absorberplatten können um
einen kleinen Winkelbereich drehbar sein und so besser nach der Sonneneinstrahlung
ausgerichtet werden. Als Weiterentwicklung kann die Absorberplatte auch leicht gebogen sein.
Eine Variante eines Vakuumröhrenkollektors stellt der sogenannte Sydney-Kollektor
dar. Bei ihm besteht die Röhre aus einem Doppelrohr aus zwei miteinander verschmolzenen
Glasrohren, zwischen denen Vakuum herrscht. Das innere Glasrohr ist
rundum selektiv beschichtet. Auf einen runden Absorber wird bei schrägem Sonneneinfall
ein höherer Wirkungsgrad erreicht als bei einem flachen Absorber. In sei-
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nem Inneren, d.h. nicht im Vakuum, befinden sich Kupferrohre, die die Wärme abführen
und die über Wärmeleitbleche mit dem Rohr verbunden sind.
Hinter dem Doppelrohr befindet sich ein rinnenförmiger Reflektor mit dem Profil einer
Kreisevolvente, der dafür sorgt, daß das zwischen den Absorberrohren einfallende
Licht auf die Absorber umgelenkt wird und sie rundum beschienen werden. Dadurch wird die Fläche, über die Wärme abgestrahlt werden kann, gegenüber einer
Absorberplatte etwa halbiert, was zu einer Verringerung der Wärmeverluste und
damit zu einer Steigerung des Wirkungsgrads führt.
Nachteilig bei diesem Kollektortyp ist, daß der Reflektor der Witterung direkt ausgesetzt
ist und zu Verschmutzung und Degradation neigt. Außerdem sind für einen Teil der einfallenden Strahlung mehrfache Durchgänge durch das Hüllrohr erforderlich,
wodurch sich der optische Wirkungsgrad verringert. Ein weiterer und schwerwiegender
Nachteil ist der verhältnismäßig schlechte Wärmeübergang vom Glas über einen Luftspalt auf die Wärmeleitbleche, bevor die eigentlichen mediumführenden Kupferrohre
erreicht werden.
Es sind auch Flachkollektoren, d.h. Kollektoren mit einer Flachglasabdeckung und
ohne Hüllrohr, bekannt, die unter den Wärmeträgerrohren, an denen sich Kupfer-Absorberstreifen
befinden, rinnenförmige Aluminium-Reflektoren aufweisen. Die Absorberstreifen
stehen senkrecht zum Scheitelprunkt der Reflektorwölbung. Die genannten Bauteile befinden sich in einer Aluminium-Wanne. Der Kollektor ist nicht
hermetisch gegenüber der Umgebung abgeschlossen.
Es sind auch Röhrenkollektoren bekannt, bei denen der Reflektor auf dem Hüllrohr
aufgebracht ist und kein externer Reflektor benötigt wird:
Aus „High collection nonimaging optics" (San Diego: Academic Press 1989,
S. 185,186) ist ein Vakuumröhrenkollektor mit einem Hüllrohr aus Glas und einem
Absorberrohr aus Stahl bekannt, bei dem das Hüllrohr im unteren Bereich rinnenartig
verformt ist und auf seiner Innenseite der Reflektor als aufgebrachte Schicht vorhanden
ist und bei dem sich im Hüllrohr das Absorberrohr befindet, das einen Durchmesser, der lediglich ca. ein Fünftel des Hüllrohrdurchmessers beträgt, aufweist.
Dieser Kollektor ist für die Erzeugung von Prozeßwärme ausgelegt (Arbeitstemperatur
bis 2000C). Diese hohen Temperaturen werden durch Konzentration erreicht,
d.h. die einfallende Solarstrahlung wird mit Hilfe des CPC-Reflektors auf ein
kleineres Rohr konzentriert, wodurch die thermischen Verluste noch weiter reduziert
werden als beim Sydney-Kollektor. Im Gegenzug dazu wird der Winkelbereich, aus
dem Solarstrahlung empfangen werden kann, durch die Verwendung des Konzentrators
von 180° auf 70° eingeschränkt. Damit kann die diffuse Strahlung nur zum Teil
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genutzt werden. Nachteilig bei diesem Kollektor ist, daß die Fertigung aufgrund der
erforderlichen zwei vakuumdichten Glas-Metall-Übergänge aufwendig ist.
Aus DE 43 18 127 A ist ein gattungsgemäßer Röhrenkollektor bekannt, bei dem der
Reflektor als reflektierende Schicht auf der Außenseite des Hüllrohres aufgebracht
ist. Das Absorberrohr ist als Lamellenrohr, vorzugsweise aus Kupfer, ausgebildet.
Nachteilig hierbei ist, daß aufgrund des Größenverhältnisses Hüllrohr/Absorberrohr
die Röhre kontinuierlich der Sonne nachgeführt werden muß, damit nicht nur ein geringer
Anteil der Solarstrahlung auf den Absorber trifft. Ein Lamellenabsorber hat zwar hervorragende Absorptionseigenschaften, jedoch ist die Emission, auch bei
Verwendung einer sehr guten selektiven Beschichtung, sehr hoch, denn der Lamellenzwischenraum
verhält sich wie ein Hohlraumstrahler. Darüber hinaus ist die Ausführung, insbesondere die Glasbearbeitung im Bereich der Anschlüsse, extrem aufwendig.
Daß die Verspiegelung sich erfindungsgemäß über mehr als einen halben Umfang erstreckt, ist nicht zweckmäßig, da der Verlust durch die verkleinerte Apertur
immer größer sein wird als die mögliche Wirkungsgradsteigerung.
Besonders nachteilig ist bei allen Kollektoren des Standes der Technik, daß Metallbauteile
wie Absorberrohre aus Metall, Wärmeleitbleche und metallische Anschlußrohre nötig sind. Die Metalle haben eine gute Wärmeleitfähigkeit, und sie machen
aufwendige Glas-Metall-Durchführungen erforderlich.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kollektor zu finden, der die Nachteile des Standes
der Technik überwindet und die Vorteile bekannter Typen vereint und der einfach und kostengünstig herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Röhrenkollektor gemäß Hauptanspruch gelöst.
Der erfindungsgemäße Röhrenkollektor kann eine oder mehrere Röhren aufweisen.
Vorzugsweise wird er mehrere nebeneinander in Reihe liegende Röhren aufweisen, die meist gleich bzw. zumindest gleichartig aufgebaut sind.
Im folgenden wird der Aufbau einer solchen Röhre als Bestandteil des erfindungsgemäßen
Kollektors und ihre Anbindung an die Anschlußeinrichtungen erläutert. Dabei umschließen die Ausdrücke „Rohr" und „röhrenförmig" alle Hohlformen mit
beliebigem Querschnitt. Auch stark abgeflachte Formen sowohl des abdeckenden Rohres, der äußeren Hülle, als auch des Rohres, das das Wärmeträgermedium enthält,
sind darunter erfaßt. Je nach Form und Anordnung von Absorber und Wärmeträgerbehältnis
ist auch die äußere Hülle entsprechend angepaßt oder stellt sie eine Abdeckung dar, wie sie bei Flachkollektoren üblicherweise verwendet wird.
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Das äußere Rohr stellt das für das Sonnenlicht durchlässige Hüllrohr dar. Es besteht
aus einem transparenten Material. Es wird zwar im allgemeinen ein Material mit geringer
Wärmeleitfähigkeit sein, jedoch ist diese Eigenschaft nicht entscheidend, da dieses Rohr sich ja bestimmungsgemäß nicht stark aufheizt. Vorzugsweise besteht
das Hüllrohr aus Glas. Bevorzugt ist ein eisenarmes Glas (Kalk-Natron-Glas oder Borosilicatglas) mit hoher solarer Transmission und geringen Herstellkosten, wie es
z.B. als Primärpackmittel für pharmazeutische Erzeunisse verwendet wird. Das Hüllrohr
kann auch aus einem transparenten Kunststoff, beispielsweise aus Polymethylmethacrylat
(PMMA), bestehen. Glas weist gegenüber Kunststoff die Vorteile einer höheren Diffusionsfestigkeit und einer höheren UV-Stabilität auf, dagegen ist
Kunststoff gegenüber Glas bruchsicherer und einfacher zu handhaben. Das Hüllrohr
ist in den meisten Ausführungsformen mit einem Reflektor versehen.
Das innere Rohr besteht aus einem Material mit hoher Temperaturbeständigkeit (bis
wenigstens 250 0C) und geringer Wärmeleitfähigkeit. Unter Materialien mit einer geringen
Wärmeleitfähigkeit werden hier Materialien verstanden, die eine spezifische Wärmeleitfähigkeit &lgr; von
< 2 W/mK besitzen. Vorzugsweise besteht das innere Rohr aus Glas, vorzugsweise aus Borosilicatglas. Es kann auch aus einem temperaturstabilen
Kunststoff bestehen. Es ist mit einem Absorber versehen.
Die Kollektortemperaturen liegen im Normalbetrieb deutlich unter 100 0C, der Kollektor
kann jedoch im Stillstand, d.h. wenn ihm keine Energie entnommen wird, eine Temperatur, die sogenannte Leerlauf- oder Stillstandtemperatur, von über 200 0C
und bis zu 350 0C erreichen. Die Leerlauftemperatur ist umso höher, je geringer die
Wärmeverluste des Kollektors (k-Wert) sind, und ist eine Kenngröße eines Kollektors.
Dadurch, daß erfindungsgemäß das innere Rohr sowie, falls vorhanden, das dritte
Rohr (s.u.) aus einem Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit, insbesondere
im Vergleich mit den bisher üblichen Absorberrohrmaterialien wie Kupfer, besteht,
werden die hohen Temperaturen, die sich beim Stillstand des Kollektors aufbauen können, nicht an die Anschluß- und Dichteinrichtungen an den Enden des Röhrenkollektors
weitergeleitet.
Diese Anschluß- und Dichteinrichtungen bestehen erfindungsgemäß zumindest teilweise
aus Kunststoff oder Kunststoffverbundwerkstoff. Diese Materialien brauchen nicht die bisher nötige hohe Temperaturbeständigkeit zu besitzen. Dies ist von besonderer
Bedeutung für die Anordnung zur Aufnahme der Rohre, die erfindungsgemäß
wenigstens teilweise aus Kunststoff oder Kunststoffverbundwerkstoff bestehende Sammeleinrichtung, verglichen mit den bisher dort verwendeten gut wärmeleitenden
Metallen. So ist es bei der vorliegenden Erfindung erstmals möglich, Anschlußeinrichtungen,
speziell einen Sammler, aus einem nicht hoch temperaturbeständigen Material, speziell einem Material, dessen Temperaturbeständigkeit niedriger
als die Stillstandstemperatur des Kollektors ist, zu verwenden. Gleiches gilt für
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die Dichtungsmaterialien. Beim erfindungsgemäßen Kollektor sind also die Anforderungen
an die Temperaturbeständigkeit der für Anschluß- und Dichteinrichtungen verwendeten Materialien deutlich herabgesetzt, so daß Temperaturbeständigkeiten
von bis zu 140 0C (Siedetemperatur des Wärmeträgermediums beim Betriebsdruck)
völlig ausreichend sind.
Geeignete Kunststoffe oder Kunststoffverbundwerkstoffe sind z.B. Polysulfone, Melaminharze,
Polyesterharze oder Polyurethane oder glasfaserverstärkte Polyamide,
wie sie auch in Automobilkühlem Verwendung finden.
Natürlich können auch temperaturbeständigere Materialien wie beispielsweise Polyimide
eingesetzt werden.
Kunststoffe zeichnen sich u.a. durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit aus. Beispielsweise
besitzt Polyamid eine spezifische Wärmeleitfähigkeit &lgr; von 0,26 J m"1 s'1
K'1, während dagegen &lgr; für Kupfer 380 J m'1 s'1 K"1 beträgt.
Unter schlecht wärmeleitend, also eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzend, sollen
hier Materialien verstanden werden, die eine spezifische Wärmeleitfähigkeit &lgr;
< 2 J m"1 s"1 K"1 besitzen. Vorzugsweise wird die Sammeleinrichtung aus einem geeigneten
Material mit einer deutlich geringeren Wärmeleitfähigkeit bestehen.
Die genannten Werkstoffe weisen eine ausreichende Festigkeit, Steifigkeit und
Härte auf. Bei dieser Werkstoffwahl ist eine komplexe Gestaltung der Geometrie
dieser Anschlußeinrichtung mit ihren Aufnahmemöglichkeiten für die Rohre mit geringem
Kostenaufwand möglich. Für ihre Fertigung sind verschiedene Verfahren geeignet. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird ein spritzgegossener
Kunststoff-Anschlußkasten, beispielsweise aus Polyamid, verwendet. Ein solches Spritzgußteil ist stabil und aufgrund seiner geringen Dichte leicht. Gewicht und Materialverbrauch
können durch Hohlräume weiter reduziert werden. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Materials wird eine wärmebrückenfreie Wärmedämmung
des Anschlußkastens erleichtert. Auch treten keine Korrosionsprobleme auf.
Die Rohre des Röhrenkollektors sind in den in der Sammeleinrichtung für sie vorgesehenen
Öffnungen eingebracht und mit ihr verklebt. Als Kleber werden gängige Klebstoffe, die eine ausreichende Elastizität, eine Temperaturbeständigkeit bis mindestens
140 °C sowie eine Beständigkeit gegen Wärmeträgermedien auf Glykolbasis aufweisen, z.B. bestimmte Diketone oder Epoxide, verwendet.
Aufgrund der Verklebung und seiner Stabilität hat der Sammler tragende Funktion.
Der Kollektor ist damit selbsttragend. Es ist kein weiterer Rahmen nötig.
Im folgenden werden das äußere und das innere Rohr und ihre bevorzugten Ausführungsformen
näher erläutert:
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Vorzugsweise weist das Hüllrohr in seinem parallel zur Achse verlaufenden unteren
Bereich einen Reflektor auf. Dieser Reflektor kann beispielsweise ein Einschub aus
Kunststoff oder Metall, letzteres z.B. gewalzt (Blech), sein, der hoch reflektierend
beschichtet ist und der z.B. in Form einer Rinne oder vorzugsweise in Form einer
Evolvente ausgebildet und in das Rohr eingelassen ist und mittels Halterungen aus
Metall oder Kunststoff befestigt ist.
Vorzugsweise besteht der Reflektor aus einer reflektierenden Schicht, die auf der
Außenseite oder, besonders bevorzugt, auf der Innenseite des Hüllrohres aufgebracht
ist. Die Schicht besteht beispielsweise aus Aluminium oder, wie bevorzugt, aus Silber. Sie wird beispielsweise durch Aufdampfen oder Sputtern oder vorzugsweise
chemisch aufgebracht.
Die reflektierende Beschichtung ist auf dem Hüllrohr über etwa 180° aufgebracht,
nämlich genau auf der, parallel zur Längsachse des Rohres, unteren Hälfte des Hüllrohrmantels,
also der Mantelhälfte, in die im allgemeinen das Absorberrohr versetzt ist.
Wenn der Reflektor als reflektierende Schicht auf der Außenseite des Hüllrohres
ausgebildet ist, ist diese Schicht vorzugsweise, insbesondere, wenn sie aus Silber
besteht, mit einer Schutzschicht versehen. Eine solche Schutzschicht besteht beispielsweise
aus Kupfer und kann durch Aufdampfen, Sputtern, vorzugsweise chemisch
aufgebracht werden. Sie schützt die reflektierende Schicht vor Oxidation.
Die Anordnung des Reflektors auf dem Hüllrohr führt zu einem deutlich höheren optischen
optischen Wirkungsgrad (um 10% herum), als durch einen externen Reflektor, wie auch der Sydney-Röhrenkollektor einen besitzt, erreicht werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Hüllrohr, vorzugsweise auf seiner Außenseite,
mit einer breitbandigen Entspiegelungsschicht versehen, wodurch der Anteil der durch das Hüllrohr tretenden Strahlung erhöht wird, und zwar von ca. 92%
ohne Entspiegelung auf ca. 96-97% mit Entspiegelung. Eine solche Schicht besteht
beispielsweise aus einer porösen SiO2-Schicht, die mit einem Sol-Gel-Verfahren
aufgebracht wird.
Das Hüllrohr kann auf seiner Innenseite mit einer lichtdurchlässigen IR-reflektierenden
Schicht versehen sein. Dadurch wird die Rückstrahlung von nicht absorbierter Wärmestrahlung vermindert. Eine solche Schicht führt jedoch auch zu Verlusten
in der Durchlässigkeit, was je nach Schicht in der Summe eine Verschlechterung des optischen Wirkungsgrades bedeuten kann.
Im Hüllrohr ist parallel zu seiner Achse das innere Rohr mit dem Absorber angeordnet,
und zwar für den bevorzugten Fall, daß ein Reflektor vorhanden ist, so, daß ein
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möglichst großer Anteil der am Reflektor reflektierten Strahlung den Absorber erreicht.
Der Absorber liegt also im Bereich der maximalen Konzentration der einfallenden Strahlung. Dazu ist das innere Rohr in den meisten Fällen exzentrisch angeordnet,
und zwar in die untere Hälfte des Hüllrohrmantels versetzt. Verschiedene bevorzugte Ausführungen werden weiter unten diskutiert.
Der Absorber wird vorzugsweise von einer rundum aufgebrachten üblichen selektiven
Absorptionsbeschichtung auf dem inneren Rohr gebildet, die im Wellenlängenbereich
von 0,3 pm bis 1,8 pm absorbiert. Ein solches Absorberrohr ist beispielsweise
mit chemisch aufgebrachten Schichten wie Schwarzchrom (Absorptionsgrad um 95%, Emissionsgrad um 12%), Schwarznickel (Absorptionsgrad um 97%, Emissionsgrad
10 -20%), oder mit physikalisch durch Aufdampfen oder Sputtern aufgebrachten Schichten (z.B. Titanoxinitrid: Absorptionsgrad um 95%, Emissionsgrad
5%) beschichtet. Auch Cermets mit Gradientenstruktur sind geeignet. Physikalisch
aufgebrachte Absorberschichten sind wegen ihrer umweltverträglichen Herstellung bevorzugt, dem stehen aber die relativ hohen Investitionen für die Vakuumtechnik
gegenüber.
Anstelle einer Absorptionsbeschichtung direkt auf dem inneren Rohr kann der Absorber
auch ein Absorberblech, beispielsweise aus Kupfer, sein, das in Form einer Finne oder einer Halbfinne um das innere Rohr herum angebracht ist und das außen,
d.h. auf seinen beiden Außenseiten selektiv beschichtet ist (s. dazu auch Figur 4). Zur weiteren Verbesserung des optischen Wirkungsgrades kann die Kante der
Halbfinne bzw. die sich näher am Hüllrohrrand befindende Kante der Finne in eine
etwa im rechten Winkel zur (Halb)Finne verlaufende Fahne übergehen. Die Breite der Fahne sollte etwa ein Viertel des Radius des Hüllrohres nicht überschreiten.
Es können dieselben Beschichtungsmaterialien und -verfahren wie beim direkt beschichteten
Rohr Anwendung finden. Das Blech ist mit dem Rohr im allgemeinen mittels eines temperaturstabilen elastischen Klebstoffes verbunden. Vorteilhaft an
diesen Ausführungsformen ist, daß ein inneres Rohr mit kleinerem Durchmesser
verwendet wird und damit das Volumen des im inneren Rohr befindlichen Wärmeträgermediums
reduziert wird. Dies führt zu einer geringeren Trägheit des Kollektors. Außerdem wird die Absorberfläche verkleinert und werden damit die thermischen
Verluste reduziert. Nachteilig ist der etwas schlechtere Wärmeübergang zwischen Absorber und Wärmeträgermedium.
Selbstverständlich ist das Absorberblech nur im der Strahlung zugänglichen Längsabschnitt
des Hüllrohres am inneren Rohr angebracht und leitet daher auch keine Wärme an die Anschlußeinrichtungen weiter, so daß diese auch in dieser Ausführungsform
erfindungsgemäß aus einem Material mit niedriger Temperaturbeständigkeit bestehen können.
Für den Fall, daß kein Reflektor vorhanden ist, ist der Absorber über das innere
Rohr hinaus verlängert. Er ist dazu meist planar oder gebogen ausgebildet. Vor-
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zugsweise ist er so ausgebildet, daß er einen möglichst großen Teil des Hüllrohrdurchmessers
ausfüllt, also nah an den Hüllrohrrand reicht. Bevorzugt befindet sich das parallele innere Rohr, an dem der Absorber angebracht ist, in der Ebene, die
das Hüllrohr in eine untere und eine obere Hälfte teilt, besonders bevorzugt zentriert
im Hüllrohr. In bevorzugter Ausführung wird der Absorber von einem Absorberblech
gebildet, das den beschriebenen Absorberblechen prinzipiell entspricht und das in
Form einer Finne um das innere Rohr herum angebracht ist und auf seiner oberen Außenseite, d.h. der Seite der einfallenden Strahlung, wie oben beschrieben selektiv
beschichtet ist. (s. auch Figur 6). Das Blech ist mit dem inneren Rohr mittels eines
flexiblen temperaturstabilen Klebstoffes verbunden. Es ist so ausgerichtet, daß seine
Fläche möglichst senkrecht zur einfallenden Strahlung steht. Vorteilhaft ist auch hier
wieder, daß der Durchmesser des inneren Rohres sehr klein sein kann.
Das Hüllrohr kann mit einem Gas unter Normaldruck oder Niederdruck, z.B. zwischen
1 und 500 mbar, gefüllt sein. Zur Verbesserung der Wärmedämmung ist eine Edelgas-Füllung statt einer Füllung mit Luft bevorzugt, beispielsweise Krypton oder
Xenon. Bevorzugt ist die Menge des Gases in Bezug auf das Rohrvolumen so gewählt,
daß im Rohr ein Unterdruck herrscht, vorzugsweise ein Druck zwischen 100
mbar und 500 mbar. Dadurch wird die Konvektion des Gases im Hüllrohr unterdrückt
und damit die wärmedämmende Wirkung erhöht.
Wenn Hüll- und Absorberrohr aus Glas bestehen, kann das Hüllrohr auch evakuiert
sein, bevorzugt auch auf weniger als 10"3 mbar.
Zur Füllung des Hüllrohres mit Gas wird das Rohr zunächst auf einen Restluftdruck
von 1-10 mbar evakuiert. Ein solcher Unterdruck ist leicht erreichbar. Danach wird
das Gas bis auf den gewünschten Druck eingelassen. Das Evakuieren und Befüllen erfolgt über eine Kanüle aus gasundurchlässigem Material, z.B. Glas oder vorzugsweise
Metall, die nach dem Befüllen verschmolzen bzw. abgequetscht wird.
Zur Erzielung von Drücken von 10"3 mbar und weniger sind aufwendigere und zeitintensive
Schritte wie Ausheizen und Auspumpen mit hochwertigeren Pumpständen (z.B. Turbomolekularpumpe) nötig. Wenn der Reflektor aus Silber besteht und auf
der Innenseite des Hüllrohres aufgebracht ist, sollte die Ausheiztemperatur 2000C
nicht überschreiten. Das Vakuum von 10'3 mbar oder besser wird dann durch eine
ausreichende Menge Getter und durch langes Pumpen erreicht. Nach Evakuierung des Hüllrohres wird die Evakuierungsöffnung verschmolzen.
Die Ausführungsform mit hoch evakuiertem Hüllrohr ist speziell für absorptionsbeschichtete
Innenrohre geeignet. Die beschriebenen meist mit einem Kleber am inneren
Rohr angebrachten Absorberbleche sind hier weniger geeignet.
In dem bevorzugten Fall, daß die Reflektorschicht im Inneren des Hüllrohres aufgebracht
ist, ist sie durch das Vakuum bzw. die Gasfüllung optimal geschützt. Daher
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sind hier weitere Schutzschichten, wie sie für eine außen liegende Reflektorschicht
bekannt sind, nicht nötig.
Bei zylinderförmigen Rohren, also Rohren mit rundem Querschnitt, müssen Hüllrohr
und Absorberrohr ein bestimmtes Größenverhältnis zueinander aufweisen, damit ein
möglichst großer Anteil der einfallenden Sonnenstrahlen auf den Absorber trifft. Der
äußere Durchmesser des Absorberrohrs beträgt etwa 40 % bis 60 %, vorzugsweise
etwa 40 % bis etwa 50 %, des innneren Durchmessers des beschichteten Hüllrohrs. Wenn der Durchmesser des Absorberrohrs zu gering ist, ist der Akzeptanzwinkel zu
gering, und der Kollektor muß den einfallenden Strahlen nachgeführt werden.
Bei den meisten Röhrenkollektoren des Standes der Technik liegt der Röhrendurchmesser
der Hüllrohre zwischen knapp 50 mm und etwas über 100 mm.
Hier sind Röhrendurchmesser von 30 bis 40 mm bevorzugt, und 50 mm sollten vorzugsweise
nicht überschritten werden. Die Druckbeständigkeit des Glasabsorberrohres ist bei kleinerem Durchmesser (<15 mm) besser, und das Volumen an Wärmeträgermedium,
das sich im Kollektor befindet, bleibt gering. Das Volumen bezogen auf die Absorberfläche steigt nämlich etwa proportional mit dem Rohrdurchmesser.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weicht das Absorberrohr von
der üblichen Zylinderform ab: Es weist keinen runden Querschnitt auf, sondern ist in
einer Querschnittsrichtung gestreckt, und zwar bevorzugt so, daß es einen ovalen
Querschnitt mit zwei im wesentlichen parallelen Seitenabschnitten, die durch zwei im
wesentlichen halbkreisförmige Endabschnitte miteinander verbunden sind, aufweist.
Durch diese Form ist das Volumen des Wärmeträgermediums und damit auch die
thermische Trägheit des Kollektors reduziert. Außerdem ist die Absorberfläche verringert
und sind damit auch die thermischen Verluste des Kollektors verringert.
Damit der Anteil der auf den Absorber treffenden Strahlen möglichst groß ist, beträgt
die Ausdehnung des Rohres (Außenabmessung) in Richtung der langen der beiden aufeinander senkrecht stehenden Querachsen eines solchen Absorberrohres vorzugsweise
zwischen ca. 40 % und ca. 50 % des Innendurchmessers des Hüllrohres. Die Querachsen sind dabei so definiert, daß die parallelen Seitenabschnitte des Absorberrohres
senkrecht zur kurzen Querachse und parallel zur langen Querachse verlaufen.
Für die Anordnung dieses Absorberrohres im Hüllrohr, wie beschrieben parallel zu
seiner Längsachse und exzentrisch, gibt es verschiedene bevorzugte Lösungen (s. dazu auch Figur 3):
Zum einen kann das Absorberrohr vollständig in der unteren Mantelhälfte des Hüllrohres
angeordnet sein, und zwar so, daß seine lange Querachse senkrecht zu der
Ebene, die das Hüllrohr in eine untere Hälfte (mit Reflektor) und eine obere Hälfte
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(ohne Reflektor) teilt, steht und in der Ebene, die das Hüllrohr in eine linke und eine
rechte Hälfte teilt, liegt.
Zum anderen kann die lange Querachse des Absorberrohres in der erstgenannten
Ebene liegen, wobei sich das Absorberrohr vollständig in der linken oder der rechten
Hälfte des Hüllrohres befindet.
Auch für die Ausführungsform des inneren Rohres mit finnenförmigem oder halbfinnenförmigem
Absorberblech sind analog diese zwei Anordnungen im äußeren Rohr bevorzugt. Hier beträgt entsprechend die lange Ausdehnung des Absorberbleches
im Querschnitt ca. 40 % bis ca. 50 % des Innendurchmessers des Hüllrohres. Bei der halbfinnenförmigen Ausführung des Absorberbleches sind das innere Rohr und
die Halbfinne derart im Hüllrohr ausgerichtet, daß das Rohr näher an der Längsachse
des Hüllrohres angeordnet ist.
Bei den reflektorfreien Ausführungen hat der Absorber im Rohrquerschnitt vorzugsweise
eine möglichst große Ausdehnung, also eine Ausdehnung, die fast dem inneren Durchmesser des äußeren Rohres entspricht.
In einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung besitzt das mit einer reflektierenden
Beschichtung versehene Hüllrohr nicht die übliche Zylinderform, sondern ist als Evolvente des Absorberrohrs geformt. Diese Form stellt die ideale Konzentratorform
für einen zylindrischen Absorber dar (O'Gallagher, JJ., A. Rabl, R. Winston,
Solar Energy, 24,323 (1980). „Absorption Enhancement in Solar Collectors by Multiple
Reflections" ). Hüll- und Absorberrohr haben jedoch im Innern des Hüllrohres keinen direkten Kontakt.
Besteht dagegen der Reflektor aus einem mit der reflektierenden Beschichtung versehenen
Einschub im zylindrischen Hüllrohr, so weist vorteilhafterweise dieser Einschub,
beispielsweise ein verspiegeltes Blech, ein evolventenförmiges Profil auf.
Auch bei diesen Ausführungsformen mit evolventenförmigem Reflektor werden Absorberrohre
mit kleinerem Rohrdurchmesser verwendet als bei der Ausführung, bei der sowohl Hüllrohr als auch Absorberrohr zylindrisch und beschichtet sind.
An wenigstens einem Rohrende des Hüllrohres sind das innere und das äußere
Rohr über eine gasdichte Verklebung miteinander verbunden bzw. bei der Ausführung
als Vakuumröhrenkollektor vakuumdicht miteinander verschmolzen. Da keines der Rohre aus Metall ist, ist hier keine Glas-Metall-Verbindung nötig, die bei herkömmlichen
Vakuumröhrenkollektoren in Bezug auf Dichtigkeit den Schwachpunkt darstellt.
Für die gasdichte Verklebung des inneren Rohres mit dem Hüllrohr sowie für die
Befestigung der Rohre an der Sammeleinrichtung sind verschiedene Lösungen möglich:
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Die Röhren können einzeln abgepumpt und gasdicht verschlossen werden und dann
in die Sammeleinrichtung geklebt werden.
Die Röhren können auch zuerst in die Sammlereinrichtung, die gleichzeitig eine
Dichtfunktion übernimmt, eingeklebt werden und dann abgepumpt und befüllt werden.
Dazu kann die Sammeleinrichtung Gasfüllkanäle enthalten, über die die Hüllrohre
evakuiert und mit der Gasfüllung versehen wurden.
Die Sammeleinrichtung kann auch weitere Öffnungen aufweisen: So kann sie Klebekanäle
enthalten, durch die der Klebstoff zur Verklebung der Rohre mit dem Kasten eingebracht werden kann.
Zur Realisierung der gasdichten Verklebung werden gängige Standarddichttechniken
angewandt.
Bei einer bevorzugten Methode wird eine Kappe, die vorzugsweise aus einem Metall
mit einem ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der des verwendeten
Glases besteht, z.B. aus Nickel-Eisen-Legierungen, auf das Hüllrohr gebracht und mit einem Klebstoff, der eine geringe Durchlässigkeit für Gase hat, z.B. einem
Epoxidharz, oder vorzugsweise einem Glas- oder Metallot gasdicht verbunden. Die Metallkappe enthält nach innen eingezogene Öffnungen für das innere Rohr und
eventuell den Evakuierungs- bzw. Befüllstutzen, die auf dieselbe Weise gedichtet
werden.
Das innere Rohr wird direkt mit dem Wärmeträgermedium durchströmt. Wärmeleitbleche
im Innern des Rohres, wie sie beispielsweise im Sydney-Röhrenkollektor notwendig sind, sind nicht nötig.
Bezüglich der Funktionsweise des inneren Rohres mit Absorber sind mit dem erfindungsgemäßen
Aufbau des Kollektors verschiedene an sich bekannte Varianten des direktdurchströmten Absorbers möglich:
Das innere Rohr kann koaxial volumetrisch durchströmt sein, d.h. in seinem Inneren
befindet sich das sogenannte Koaxialrohr oder Wärmezuleitungsrohr, das ebenfalls
aus einem temperaturstabilen (bis wenigstens 2500C) Material mit niedriger spezifischer
Wärmeleitfähigkeit (&lgr; < 2 W/mK), vorzugsweise aus Glas, besteht. Hierbei handelt es sich um ein beidseitig offenes Rohr, das durch eines der beiden Rohrenden
des Rohres mit Absorber in dieses eintritt. Dessen anderes Ende ist geschlossen (verschmolzen). Durch dieses Wärmezuleitungsrohr wird das Wärmeträgermedium
in das den Absorber aufweisende Rohr gepumpt, wird dort erwärmt und über den Sammler zum Ausgang des Kollektors transportiert, von wo aus es über eine
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Rohrleitung zum Wärmeaustauscher geleitet wird, wo es die Wärme an den Speicher
abgibt.
Die Anordnung des inneren Rohres im Hüllrohr wird über Abstandshalter gewährleistet,
die aus einem Material mit möglichst geringer Wärmeleitung bestehen, z.B. aus Federstahl oder vorzugsweise aus einem temperaturbeständigen Kunststoff, beispielsweise
aus glasfaserverstärktem Epoxidharz (s. dazu auch Figur 2). Die Abstandshalter sind so konstruiert, daß Absorberrohr und Hüllrohr bzw. Absorberblech
und Hüllrohr nur über eine möglichst kurze Strecke durch das Material direkt verbunden
sind, um die Wärmebrücke zu minimieren. In der Regel wird ein Abstandshalter
am untereren Ende des inneren Rohres ausreichen.
Das innere Rohr und dann auch das äußere Rohr können aber auch an beiden Seiten
offen sein. Ein drittes Rohr ist hierbei nicht erforderlich. Der Vorlauf befindet sich
in einem Sammelkasten am unteren Rohrende, und das innere Rohr wird von unten nach oben durchströmt. An den oberen Rohrenden befindet sich ein Sammelkasten
für den Rücklauf. Das innere Rohr ist an beiden Enden mit dem Hüllrohr verbunden,
z.B. verklebt; eine Abstützung ist daher nicht mehr nötig. Die beidseitig offene Variante
ist besonders für die gasbefüllte Ausführung geeignet. Bei ihr werden die Rohre beispielsweise wie oben beschrieben über eine Metallkappe verklebt. Auch die Vakuum-Ausführung
ist möglich, z. B. wenn zum Verbinden Glaslote verwendet werden, da diese ausreichend dicht und ausreichend flexibel sind. Dagegen würden bei
miteinander verschmolzenen Rohren aufgrund der Längenausdehnung des inneren Rohres bei hohen Betriebstemperaturen zu hohe Spannungen zwischen den verschmolzenen
Rohren auftreten.
Je nachdem, welche der oben erläuterten Varianten des direktdurchströmten Absorbers
vorliegt, unterscheidet sich die Anordnung von Röhren und Anschlußeinrichtungen:
Beim beidseitg offenen inneren Rohr befindet sich an beiden Rohrenden eine Sammeleinrichtung
wie beschrieben.
Bei der Variante mit Koaxialrohr befindet sich auf der Seite, auf der das Koaxialrohr
in das Rohr mit Absorber eintritt, der beschriebene Sammler, während sich auf der
anderen Seite, also auf der Seite, auf der äußeres und inneres Rohr geschlossen sind, eine einfachere Fußbefestigung befinden kann, die aus denselben Materialien
wie der Anschlußkasten bestehen kann und die ebenfalls mittels Klebekanälen mit den Hüllrohren verklebt werden kann.
Die Einzelmodule werden durch ein Stecksystem, wie es z.B. aus der Hydraulik bekannt
ist, zu einem Kollektor verbunden. Eine typische Größe sind ca. 3 - 6 m2 für
ein Einfamilienhaus. Der Kollektor wird von einer Seite vorzugsweise durch flexible
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Kunststoff- oder Metallrohre mit dem Wärmetauscher verbunden, der sich im unteren
Bereich des Solarspeichers befindet.
Im allgemeinen besteht ein Modul aus gleich aufgebauten Röhren. In einer möglichen
Ausführungsform der Erfindung sind verschiedene Module zu einem Röhrenkollektor verbunden, d.h. Module, deren Röhren sich im konkreten Aufbau von denen
des benachbarten Moduls unterscheiden. Es kann nämlich insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen sinnvoll sein, die verschiedenen als bevorzugt beschriebenen
Röhren miteinander zu kombinieren. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, Module mit Röhren mit Gasfüllung vor Module mit Vakuumröhren zu schalten. Denn zu
einer ersten Erwärmung des Wärmeträgermediums auf noch nicht hohe Temperaturen können Kollektor-Module mit schlechterem k-Wert ausreichen, wenn anschließend
zur Erzeugung hoher Temperaturen hoch effektive Röhren folgen. Entsprechen können auch Röhren mit Absorberrohren mit unterschiedlicher Qualität der Beschichtung
und damit unterschiedlichem Herstellungsaufwand und -preis kombiniert werden. Immer werden die verschiedenen Röhren in steigender Effektivität hintereinander
geschaltet sein, die „höherwertigen" Röhren werden also den
„niederwertigen" Röhren nac hgeschaltet sein.
Um die Wärmedämmung des Röhrenkollektors noch weiter zu verbessern, können
die Röhren ungefähr mit ihren unteren Hälften, also etwa dem Bereich des Reflektors,
in ein Wärmedämmaterial, z.B. Polyurethanschaum, eingebettet werden. Der Röhrenzwischenraum wird dabei z.B. mit Silikon gegen Regenwasser abgedichtet.
Im folgenden wird der erfindungsgemäße Röhrenkollektor anhand der Zeichnung
näher erläutert:
Es zeigen beispielhaft:
Figur 1a bis 1d Längsschnitte durch einen Röhrenkollektor mit koaxial durchströmtem
Absorberrohr (Figur 1a, 1b) bzw. mit beidseitig offenem
Absorberrohr (Figur 1c, 1d),
Figur 2 einen Querschnitt durch Hüll- und Absorberrohr eines Röhren
kollektors mit koaxial durchströmtem Absorberrohr,
Figur 3a und 3b je einen Querschnitt durch eine Röhre von Röhrenkollektoren
mit in einer Querschnittsrichtung gestreckten Absorberrohren,
Figur 4a bis 4d je einen Querschnitt durch eine Röhre von Röhrenkollektoren,
deren innere Rohre von einem Absorberblech in Form einer Halbfinne (Figur 4a, 4b) bzw. einer Finne (Figur 4c, 4d) umgeben
sind,
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Figur 5a und 5b je einen Querschnitt durch eine Röhre von Röhrenkollektoren,
deren Reflektor evolventenförmig ausgebildet ist.
Figur 6 einen Querschnitt durch eine Röhre eines Röhrenkollektors, der
keinen Reflektor aufweist.
Im einzelnen:
Die Figuren 1a und 1b zeigen unterschiedliche Teile (Enden) eines Röhrenkollektors
mit koaxial durchströmtem Absorberrohr in verschiedenen Längsschnitten durch die
Rohre. Figur 1b zeigt einen gegenüber Figur 1a um 90° gedrehten Schnitt und stellt
den Ausschnitt einer Röhre dar.
Im Hüllrohr 1, das vollständig aus Borosilicatglas besteht und dessen untere Mantelhälfte
auf der Rohrinnenseite mit einer Reflektorbeschichtung 2 aus Silber versehen ist, befindet sich in der Mantelhälfte, deren Innenseite mit der Reflektorbeschichtung
versehen ist, das Absorberrohr 3, das vollständig aus Borosilicatglas besteht und
das von außen rundum mit einer selektiven Absorptionsbeschichtung versehen ist, die nicht eingezeichnet ist. Auch die Abstandshalter sind nicht eingezeichnet. Das
Volumen 4 des Hüllrohres enthält Xenon. Der Druck im Rohr beträgt ca. 100 mbar.
Das Absorberrohr ragt durch ein Rohrende des Hüllrohres in dieses und ist mit ihm
durch eine gasdichte Verklebung verbunden (s. Figur 1a), Das andere Rohrende des Hüllrohres ist geschlossen, wie auch das Rohrende des Absorberrohrs auf jener
Seite (s. Figur 1b). In das in Figur 1a abgebildete Rohrende des Absorberrohrs ragt
das beidseitig offene Koaxial- oder Wärmezuleitungsrohr 5 aus Borosilicatglas. Es
befindet sich parallel (koaxial) und zentriert in ihm. In der Sammeleinrichtung 6
(Figur 1a), einem spritzgegossenen Anschlußkasten aus Polyamid, stecken die einen
Enden der drei Rohre, während das andere Rohrende des Hüllrohres an der Fußbefestigung 7 (Figur 1b), ebenfalls aus Polyamid und im Spritzgußverfahren
hergestellt, befestigt ist. Über die langen Klebestellen 8, die über die Klebekanäle 9
erzeugt wurden, ist die Verbindung gewährleistet. So ist der Kollektor selbsttragend.
Für den abgeklemmten bzw. abgeschmolzenen Evakuierungsstutzen 10a ist eine Aussparung 10b im Anschlußkasten enthalten. Das Wärmeträgermedium 11 fließt
vom Kaltwasserbereich 12 des Sammlers 6 durch das Koaxialrohr 5 in das Absorberrohr
3, wird dort erwärmt und strömt in den Warmwasserbereich 13 des Sammlers.
Die Strömungsrichtung ist durch Pfeile dargestellt.
Die Figuren 1c und 1d zeigen die beiden Enden eines Röhrenkollektors mit beidseitig
offenem Absorberrohr im selben Längsschnitt durch die Rohre.
Auch hier ist das Absorberrohr 3 exzentrisch und parallel im mit der Beschichtung 2
versehenen Hüllrohr 1 angeordnet. Im Unterschied zum koaxial durchströmten System
(s. Figuren 1a, 1b) befindet sich an beiden Enden eine Sammeleinrichtung 6
aus Polyamid mit je einem Sammelkanal 12, 13, und zwar am unteren Ende (Figur 1d) für den Kaltwasservorlauf 12 und am oberen Ende (Figur 1c) für den Warmwas-
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serrücklauf 13. Das innere Rohr 3 ist mit dem äußeren Rohr 1 an beiden Seiten mit
jeweils einer Metallkappe 17 gasdicht verklebt. Auf einer Seite (Figur 1c) befindet
sich der Evakuierungsstutzen 10a in der Aussparung 10b. Die Anbindung des Absorberrohres
3 an beiden Enden erfolgt hier aufgrund der Längenausdehnung des Absorberrohres vorteilhafterweise durch O-Ringe 18.
Figur 2 zeigt für einen Röhrenkollektor mit koaxial durchströmtem Absorberrohr das
Hüllrohr 1 und in ihm das Absorberrohr 3 im Querschnitt. Die jeweiligen Beschichtungen
sind nicht eingezeichnet. Die Anordnung des Absorberrohrs im Hüllrohr, nämlich parallel und exzentrisch, und zwar in die untere Hüllrohrhälfte versetzt, wird
durch die Abstandshalter 14a und 14b gewährleistet. Sie bestehen aus glasfaserverstärktem
Epoxidharz und befinden sich am unteren Ende des Absorberrohrs. Abstandshalter sind nur bei Kollektor-Ausführungen mit koaxial durchströmtem Absorberrohr
nötig. Bei Ausführungen mit beidseitig durchströmtem Absorberrohr ist die stabile Lage des Absorberrohrs allein durch seine Verbindung mit dem Hüllrohr an
seinen beiden Enden gewährleistet.
Die Figuren 3a und 3b zeigen im Querschnitt bevorzugte Anordnungen eines in einer
Querschnittsrichtung gestreckten Absorberrohrs 3 im zylinderförmigen Hüllrohr 1, das innenseitig auf seiner unteren Mantelhälfte mit einer reflektierenden Beschichtung
2 versehen ist. Die auf dem Absorberrohr rundum aufgebrachte Absorptionsbeschichtung
ist nicht eingezeichnet. Das Absorberrohr weist einen ovalen Querschnitt mit zwei parallelen .Seitenabschnitten auf, die durch zwei im wesentlichen
halbkreisförmige Endabschnitte miteinander verbunden sind. Die Ausdehnung des Absorberrohrs in Richtung seiner langen Querachse 3a beträgt ca. 43 % des
Innendurchmessers des Hüllrohres.
In Figur 3a ist das Absorberrohr 3 vollständig in der unteren Mantelhälfte des Hüllrohres
angeordnet, und seine lange Querachse 3a steht senkrecht zum Scheitelpunkt der Wölbung der parabolischen Reflektorschicht.
In Figur 3b liegt die lange Querachse 3a des Absorberrohres 3 in der Ebene, die das
Hüllrohr in eine untere und obere Mantelhälfte teilt. Das Absorberrohr ist dabei vollständig
in eine der Hälften versetzt, die durch die senkrecht sowohl zur beschriebenen Ebene als auch zur Querschnittsebene stehende dritte Ebene gebildet werden.
Durch beide Anordnungen wird erreicht, daß möglichst viele der nicht direkt auf den
Absorber, sondern auf den Reflektor treffenden Strahlen auf den Absorber umgeleitet
werden.
Die Figuren 4a und 4b zeigen im Querschnitt bevorzugte Anordnungen eines zylinderförmigen
inneren Rohres 3, dessen Absorber aus einem ihn umgebenden Absorberblech 15 aus Kupfer besteht, im Hüllrohr 1, das innenseitig auf seiner unteren
Mantelhälfte mit einer reflektierenden Beschichtung 2 versehen ist. Das Absorberblech
15 hat die Form einer Halbfinne und ist auf seinen beiden Außenseiten mit einer nicht eingezeichneten selektiven Absorptionsbeschichtung versehen. Das Ab-
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sorberblech ist mittels eines temperaturstabilen Silikonklebers mit dem inneren Rohr
verbunden. Die Halbfinne überspannt etwa den halben inneren Hüllrohrdurchmesser und weist zusätzlich eine im rechten Winkel abgeknickte Fortsetzung 15a auf.
Die in den Figuren 4a und 4b dargestellten Anordnungen entsprechen prinzipiell denen des Absorberrohrs mit ovalem Querschnitt aus Figur 3. Dabei ist die Ausrichtung
von innerem Rohr und Absorberblech derart, daß das Rohr sich näher am Zentrum des Querschnittes des äußeren Rohres befindet
Die Figuren 4c und 4d zeigen zu den Figuren 4a und 4b analoge Anordnungen, bei
denen das beschichtete Absorberblech 15 die Form einer Finne hat. Auch hier entsprechen
die Anordnungen des inneren Rohres mit Absorberblech im Hüllrohr den beiden Anordnungen aus Figur 3. Die Finne überspannt etwa den halben inneren
Hüllrohrdurchmesser. Wie die Halbfinnenausdehnung in den Figuren 4a und 4b beträgt
hier auch die Finnenausdehnung im Querschnitt etwa das Doppelte des Durchmessers des inneren Rohres.
Figur 5a zeigt im Querschnitt das Hüllrohr 1, das in seiner unteren Hälfte evolventenförmig
ausgebildet ist und das auf dieser unteren Mantelhälfte innenseitig mit der reflektierenden Beschichtung 2 versehen ist. In ihm und parallel zu ihm befindet sich
exzentrisch, nämlich in diese Hälfte versetzt, das rundum beschichtete Absorberrohr
3, dessen Beschichtung nicht eingezeichnet ist.
Figur 5b zeigt im Querschnitt das Hüllrohr 1, dessen Reflektor als evolventenförmiger
Einschub 16 aus einem hoch reflektierend beschichteten Metall ausgebildet ist. Durch seine Anordnung im unteren Bereich des Hüllrohres deutlich beabstandet
vom unteren Hüllrohrrand ergibt sich, daß das Absorberrohr 3 (Beschichtung wiederum
nicht eingezeichnet) sich zentriert im Hüllrohr befindet.
Figur 6 zeigt im Querschnitt eine bevorzugte Anordnung eines inneren Rohres 3 in
einem Hüllrohr 1, das keinen Reflektor aufweist. Das innere Rohr befindet sich zentriert
im Hüllrohr und ist von einem Absorberblech 15 umgeben, das die Form einer Finne aufweist und auf seiner oberen Außenseite, d.h. der Seite, auf die die Strahlung
einfällt, mit einer nicht eingezeichneten selektiven Absorptionsbeschichtung
versehen ist. Das Absorberblech ist mittels eines temperaturstabilen Silikonklebers
mit dem inneren Rohr verbunden. Die Finne überspannt fast den inneren Hüllrohrdurchmesser.
Der erfindungsgemäße Röhrenkollektor vereint eine Fülle von Vorteilen in sich:
• Das innere Rohr sowie, falls vorhanden, das dritte Rohr bestehen vollständig aus
einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise aus Glas:
Die Anschlußeinrichtungen können aus Kunststoff sein. Ein Sammler aus
Kunststoff hat ein geringes Gewicht und ist im Spritzgußverfahren einfach und preiswert herzustellen, verglichen mit zusammengelöteten und verschraubten
Kupferrohren, und wirft im Gegensatz zu Aluminium keine Korrosionsproble-
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me auf. Seine geringe Wärmeleitfähigkeit erleichtert eine wärmebrückenfreie
Wärmedämmung des Sammlers wesentlich.
Es sind keine Glas-Metall-Durchführungen nötig, d.h. die Abdichtung ist erleichtert.
Der Absorber aus Glas weist gegenüber Kupfer einen Kosten- und einen
Gewichtsvorteil auf.
Die Konstruktion des Kollektors ist selbsttragend, d.h. es ist kein Rahmen erforderlich.
In bevorzugter Ausführung trägt das Hüllrohr innen die Reflektorschicht:
Der Reflektor auf dem Hüllrohr bedeutet einen deutlich höheren Wirkungsgrad
als ein externer Reflektor wie beispielsweise beim Sydney-Kollektor.
Dadurch, daß der Reflektor auf der Innenseite des Hüllrohres aufgebracht ist, ist die Reflektorschicht durch die Gasfüllung oder durch das Vakuum geschützt.
Dies erhöht die Lebensdauer des Kollektors und erspart zusätzliche Schutzschichten.
Durch das gewählte Verhältnis des Durchmessers des Hüllrohres zum Durchmesser
des Absorberrohres muß der Kollektor nicht nachgeführt werden, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen.
Der Röhrenkollektor kann modular verwendet und daher flexibel an die jeweiligen
Erfordernisse angepaßt werden. Er ist mit kleinen Modulen von unterschiedlicher Größe und ggf. unterschiedlichem Aufbau und mit unterschiedlicher Röhrenzahl
in einem Stecksystem beliebig erweiterbar und an die jeweiligen Gebäude anpaßbar.
Damit ist er als architektonisches Gestaltungselement in verschiedenen Anordnungen einsetzbar.
Die vorzugsweise verwendeten kleinen Rohrdurchmesser bringen zusätzlich folgende
Vorteile: Die Produktionskosten sind bei kleinen Rohrdurchmessern deutlich geringer. Die Einbautiefe des Kollektors verringert sich, und die kleinen Röhren
geben ein homogeneres Bild als dicke Röhren.