DE3206624A1

DE3206624A1 - Zentraler luft-fluessigkeits-sonnenenergiekollektor

Info

Publication number: DE3206624A1
Application number: DE19823206624
Authority: DE
Inventors: Kenneth Lee Toledo Ohio Moan
Original assignee: Owens Illinois Inc
Current assignee: OI Glass Inc
Priority date: 1981-02-27
Filing date: 1982-02-24
Publication date: 1982-09-23
Also published as: JPS57155061A; IT1147816B; FR2500918A1; IT8247874A0; GB2093980A; NL8200542A; AU8018582A; BE892011A; LU83927A1; IL65020A0; BR8201018A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft im allgemeinen Sonnenkollektoren und insbesondere einen Einheits- oder Zentralsonnenenergie sammler mit mehreren evakuierten Sammlerelementen und einem Gas-Flüssigkeits-Wärmetauscher.

Steigender Energiebedarf mit ansteigenden Kosten für die Gewinnung von fossilen Brennstoffen spornte eine Suche nach anderen Energiequellen an. Die vielleicht unmittelbar erwartungsreichste Alternativquelle ist die Sonnenenergie, wobei die Entwicklung und die Verbesserung von Konstruktionen von Sonnenenergiekollektoren in den letzten zehn Jahren große Fortschritte gemacht haben. Dennoch zeigen die einzelnen Konstruktionen wie eine ebene Platte oder ein Rohr sowie die Arten der Rückgewinnungsmedien wie Luft oder Wasser bestimmte Leitungs- oder Betriebsanomalien, die eine Verbesserung herausfordern.

Bei Kollektoren mit Vakuumrohren, die Luft als Rückgewinnungs- oder Wärmetauschmittel verwenden, besteht die allgemeine Schwierigkeit in der gleichmäßigen Verteilung von Luft an die Kollektorelemente. Ein ungenügender Luftstrom bei bestimmten Kollektorelementen infolge einer schlechten Verteilung in einem Zentralverteiler führt nicht nur zum Betrieb von bestimmten Elektroelementen bei hohen Temperaturen, die ihre Gebrauchslebensdauer beeinflussen können, sondern vermindert auch den Wirkungsgrad der gesamten Kollektoranlage.

Es ist allgemein bekannt, daß eine ungleichmäßige Strömungsmittel- oder Flüssigkeitsverteilung meist durch Erhöhung des Arbeitsdrucks der Anlage und damit auch des Druckabfalls an den Bauteilen der Anlage verbessert wer- ° den kann. Leider kann eine Erhöhung des Arbeitsdrucks der Anlage nur mit einem entsprechend größeren Energieverbrauch erreicht werden, d.h. mit einer größeren

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Energieaufnahme für die luftbewegenden Bauteile. Bei einer Anlage für die Rückgewinnung von Sonnenenergie kann die Erhöhung der Energieaufnahme größer sein als die Erhöhung der aufgrund von verbesserter Luftverteilung zurückgewonnenan Energie. Betrachtet man den Sonnenenergie-Sammler als ein thermodynamisches System,so ist sein Gesamtwirkungsgrad tatsächlich geringer als das Ergebnis der Erhöhung des Energiebedarfs, die zu einer verbesserten Luftverteilung führt.
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Es sei bemerkt, daß niedere Drücke der Anlage und minimale Druckabfälle von Nutzen sind. Eine solche Anlage ist in der US-Patentschrift 4 016 860 gezeigt.

Eine weitere Schwierigkeit auf diesem Gebiet beim Einsatz von Sonnenenergiesammlern betrifft die Art und Weise der Energieübertragung. Bei vielen Sonnenkollektoren, die Luft als Rückgewinnungsmedium verwenden, wird die Luft vom Sonnenenergiekollektor durch ein Leitungsnetzwerk an den Ort der Verwendung, z.B. einen Aufenthaltsraum befördert. Dieses Leitungsnetzwerk bietet mehrere Probleme. Zunächst bewirken erhebliche Leitungslängen starke Druckabfälle, welche die Schwierigkeiten der Energieaufnahme der Anlage und den Gesamtwirkungsgrad vergrößern. Zweitens sind auch Energieverluste an die Atmosphäre, die auf die geringe Luftdictte und den großen Durchmesser sowie die ümfangsflache dieses Leitungsnetzwerks von Bedeutung. Natürlich kann solch ein Leitungsnetzwerk vorzugsweise gut isoliert sein, doch

vergrößert dies seinen Außendurchmesser. Schließlich ergeben sich auch Probleme bei der Installation eines Leitungsnetzwerks mit solch großem Durchmesser in vorhandene Bauten, die eine kompaktere Energieübertragungsanlage entweder erleichtern oder minimieren würde. Ein

Beispiel für einen Sonnenenergiekollektor, der als kompakte Energieübertragungsanlage ausgelegt ist, ist in der US-Patentschrift 3 960 136 gezeigt. Die dort bekannt-

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O L· U UUZ.

/IO

gemachte Einrichtung, Umlaufluft in einem Dachkollektor,

heizt eine Flüssigkeit wie Wasser auf, das dann als . Wärmeübertragungsmittel verwandt wird.

Die Erfindung betrifft einen Einheits- oder Zentralsonnenenergiekollektor mit mehreren evakuierten Kollektorelementen, die an einer zentral angeordneten Doppelrohrverzweigung befestigt sind und mit dieser in Verbindung stehen, die auch einen Gas-Flüssigkeits-Wärmeaustauscher sowie eine Vorrichtung aufweist, um das Rückgewinnungsmedium für die Gaswärme umlaufen zu lassen. Die Kollektorelemente sind gestaffelt auf entgegengesetzten Flächen der Rohrverzweigung angeordnet. Die einzelnen Kollektorelemente weisen ein langes Doppelwandglasrohr mit' einem offenen Ende und einem Ende auf, das einen ringförmigen Vakuumraum zwischen den Glaswänden bildet. Ein dünnwandiges Metallverteilerrohr, dessen Durchmesser etwas . kleiner ist als der Innendurchmesser der inneren Glaswand, ist in diesem Raum angeordnet und erstreckt sich über das offene Ende des Kollektorelements hinaus.

Der durch das Verteilerrohr und die Innenwand des Kollektorelements gebildete Ringraum steht mit der näheren Rohrverzweigungsleitung, und der Innenraum des Verteilerrohrs mit der entfernteren Verzweigungsleitung in Verbindung. Die Luftzirkulationsvorrichtung versorgt eine der Leitungen mit Niederdruckluft, die Ln alle Ringräume und den Innenraum der damit verbundenen Verteilerrohre strömt. Die Luft läuft dann von d<ar Rohrverzweigung in den Ringräumen oder den Innenräumen der Verteueren
^ow rohre hinweg, erreicht das Ende der Kollektorelemente und gelangt nach innen zur anderen Rohrverzweigungsleitung, wobei die früher in den Ringräumen befindliche Luft jetzt die Verteilerrohre durchströmt und umgekehrt. Der Luftstrom wird dann in der anderen Rohrverzweigungsleitung vereinigt, durchläuft den Wärmeaustauscher, wo die Energie der Luft auf die Flüssigkeit, nämlich Wasser, übertragen wird, das durch den Wärmeaustauscher fließt.

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Die den Wärmeaustauscher erregende Luft gelangt zum Gebläse zurück und von dort aus zu den Kollektorelementen, während das Wasser oder eine andere die Wärmeenergie der Luft absorbierende Flüssigkeit vom Wärmeaustauscher abgeleitet wird und durch entsprechende Rohre an den Einsatzort gelangt.

Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Einheits- oder Zentralsonnenenergiekollektor zu schaffen,

IQ dessen Ertrag eine erwärmte Flüssigkeit ist. Erfindungsgemäß ist ein Zentralsonnenkollektor mit einem hohen Wirkungsgrad vorgesehen, dessen evakuierte Rohre leicht in vorhandene und neue Bauten installiert werden können. Sodann soll mit der Erfindung ein Zentralsonnenenergiekollektor mit evakuierten Rohren geschaffen werden, der einen mit Niederdruck arbeitenden Luftverteilungsplan verwendet, der eine hervorragende Luftverteilung und eine minimale Energieaufnahme aufweist.

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Einheits- oder Zentralsonnenenergiekollektors,
Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teiles des Wärmeaustauschers beim erfindungsgemäßen Sonnenenergiekollektor,

Fig. 3 einen Seitenriß eines erfindungsgemäßen zentralen Sonnenenergiekollektors auf einer geneigten Fläche,

Fig. 4 eine Schemazeichnung des Luftstroms in der Rohrverzweigung und in den Kollektorelementen eines

erfindungsgemäßen Zentralsonnenenergiekollektors,

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3:>0'66

Fig. 5 einen Gesamtschnitt durch die Rohrverzweigung eines erfindungsgemäßen Zentralsonnenenergiekollektors längs der Linie 5-5 der Fig. 1, ' Fig. 6 einen vergrößerten Teilschnitt der Montagevorrichtung der Verteilerrohre in der Rohrverzweigung,

Fig. 7 einen vergrößerten Teilschnitt der Rohrverzweigung eines erfindungsgemäßen Zentralsonnenenergiekollektors längs der Linie 6-6 der Fig.

In den Fig. 1 und 3 ist ein Zentralsonnenenergiekollektor mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Der Sonnenenergiekollektor 10 weist eine mittig angeordnete Rohrverzweigung 12 mit mehreren an ihren gegenüberliegenden Flächen gestaffelt angeordneten Kollektorelementen 14 auf. Sowohl die Rohrverzweigung 12 als etuch die Kollektorelemente 14 sind in einem meist rechteckigen Rahmen gelagert. Der Rahmen besitzt zwei lange Träger 18 mit ■ Z-Profil, auf denen die Rohrverzweigung 12 sicher über und auf einer Fläche wie einem Dach 20 gelagert ist, auf dem ■ der Kollektor 10 befestigt ist. Der Rahmen 16 weist auch zwei L-förmige Kollektorträger 22 auf, die meist senkrecht zu den Z-Profilträgern 18 zwischen deren Endpunkten angeordnet sind. Die Träger 22 weisen mehrere U-förmige Schlitze 24 zur Aufnahme der KoLlektorelemente auf, die Gerüst und Stütze für die von der Rohrverzweigung 12 am weitesten abstehenden Endpuncte der Kollektorelemente 14 bilden. Der Rahmen 16 kann ius galvanisiertem Metall, Aluminium oder einem ähnlichen Werkstoff gefertigt sein. Die Z-Profilträger 18 konien an der Rohrverzweigung 12 und die L-förmigen Träger mit anderen Befestigungsmitteln wie Schrauben, Nieten, Punktschweißung

usw. befestigt sein.
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Wie Fig. 3 zeigt, kann der Sonnenenergi3kollektor 10 auf dem Dach 20 einer Wohnung oder eines anderen Baus in-

stalliert sein. Vorzugsweise wird der Sonnenenergiekollektor 10 na^h Süden ausgerichtet, wobei sein Neigungswinkel iie Aufnahme von Sonnenenergie in der geographischen Breite eines Einbaus optimiert. Die Kollektorelemente 14 sind freistehend angeordnet, d.h. daß der Kollektor 10 keinen Spiegel, Reflektor oder eine andere spiegelnde Vorrichtung aufweist, um die Sonnenstrahlen zu bündeln, sondern in Abhängigkeit von der diffusen Refexion der Dachoberfläche 20 oder einer anderen waagerechten bzw. geneigten Oberfläche auf der Seite der KoI-lektorelernente 14 gegenüber der Sonne arbeiten, wobei in den Kollektor Energie hineingespiegelt wird.

Die Rohrver?weigung 12 der Fig. 5 weist einen recht-

IB eckigen Querschnitt auf und besitzt eine äußere Blechhülle 30 unc eine innere Blechhülle 32. Zwischen der AußenblechhiHe 30 und der Innenblechhülle 32 sind entsprechend bemessene und ausgerichtete vorgeformte Isolierplatten 34 angeordnet. Diese sind vorzugsweise aus Polyurethanharzen oder einem ähnlichen Werkstoff geformt, der Temperaturen von mindestens 325° F (ca.163°C) widerstehen kann. Die gleichmäßige Dicke der vorgeformten Plattenisolierung 34 sowie die genau ausgebildeten senkrechten Kanten gewährleisten, daß die Platten 34 eng zusammenpassen und den Raum zwischen der äußeren Metallhülle 30 und der inneren Metallhülle 32 vollkommen ausfüllen. In der Mitte der inneren Metallhülle 32 ist eine Blechscheideiwand angeordnet, welche den Innenraum der inneren Metalle 32 auf seiner gesamten Länge in einen Einlaß- oder Versorgungskanal 40 und einen Auslaß- oder Rücklaufkanal 42 teilt.

Nach den Fig. 5 und 6 weist die mittig angeordnete Scheidewand 36 mehrere kreisförmige öffnungen 44 auf, in ° denen eine ringförmige Elastomerdichtung 46 angeordnet ist. Die Dichtung 46 besitzt eine stumpfkegelige Fläche

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48, welche das Einführen der Dichtung 46 in die kreisförmige Öffnung 44 erleichtert, wobei eine ringförmige Montagenut 50 auf ihrem Umfang angeordnet ist, die für die Dichtung 46 in einem der kreisförmigen Öffnungen 44 als Halterung wirkt. In den einzelnen Dichtungen 46 ist ein dünnes Wandmetallverteilerrohr 52 angeordnet. Das Verteilerrohr 52 wird axial in der Dichtung 46 durch eine nach außen ragende Rippe 54 gehalten, die im Verteilerrohr 52 an einem Ende ausgeformt ist, das mit einer entsprechenden komplementären halbkreisförmigen Ausnehmung 56 in der Innenfläche der Dichtung 46 zusammenwirkt. Die einzelnen Verteilerrohre 52 sind konzentrisch in einem der Kollektorelemente 14 angeordnet und ragen axial über das offene Ende ihres Kollektorelements 14 soweit hinaus, daß sie in der Scheidewand 36 befestigt werden können. Am entgegengesetzten Ende des Verteilerrohrs 52, d.h. an dem im Kollektorelement 14 angeordneten Ende halten mehrere, vorzugsweise drei, nach außen gerichtete Nasen 58 das Verteilerrohr 52 koaxial zum Kollektorelement 14.

Axial und konzentrisch zu den Verteilerrohren 52 sind eine erste kreisförmige Öffnung 60 und eine zweite Öffnung 62 angeordnet, wobei die Öffnung 60 durch die äußere Blechhülle 30 und die Öffnung 62 durch die innere Metallhülle 32 gebildet wird. Ein in den Öffnungen 60 und 32 angeordneter Teil der Plattenisolierung 34 wurde entfernt, wobei sich kreisförmiger Hohlraum 64 zuc Aufnahme einer kreisförmigen gespritzten Dichtung 66 bildet. Die gespritzte Dichtung 66 ist vorzugsweise aus einem Elastomer auf Siliziumgrundlage- hergestellt und kann in der Rohrverzweigung 12 durch eine dünne Schicht 68 eines Klebers auf Siliziumgrundlage befestigt sein, die im Kontaktkreis zwischen der gespritzten Dichtung 66 und der Plat-

³^ tenisolierung 34 aufgebracht wird. Die Dichtung 66 weist eine äußere Rippe 70, die als Wetterdichtung dient sowie mehrere nach innen gerichtete dreieckige Rippen 72 am

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-^:" ■ -3206(524 -«τι Umfang, die als Zickzackleistendichtung dienen und die Kollektorelemente 14 gegen die Rohrverzweigung 12 fest abdichten und dort haltern.

Wie erwähnt, ist ein Kollektorelement 14 koaxial um ein Verteilerrohr 52 herum angeordnet. Die Kollektorelemente 14 weisen vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf und bestehen aus Glas. Die einzelnen Kollektorelemente 1 4 besitzen eine Außenwand 80 und eine Innenwand 82 YQ von kleinerem Durchmesser. Die Wände 80 und 82 bilden zwischen sich einen gestreckten und kreisförmigen Be-

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reich 84, der auf ein Hochvakuum von ca. 10 Torr ausgepumpt ist. Das Vakuum wird durch Auspumpen der Luft aus dem Bereich 84 am spitzen Ende der Kollektorelemente 14 erzielt, wobei ein Stengelansatz 86 an dieser Stelle nach allgemein bekanntem Verfahren dicht verschlossen wird. Mit dem Vakuum im Bereich 84 werden hauptsächlich Leitungs- und Konvektionsverluste der Kollektorelemente 14 vermieden. Die Innenwände 82 der Kollektorelemente weisen vorzugsweise eine Sonnenergie absorbierende Fläche 88 auf. Diese Absorptionsfläche 88 besitzt einen Selektionsbelag für Wellenlängen mit hoher Absorptionskraft und geringer Ausstrahlungskraft von 0,1 oder weniger im Infrarotbereich und wird durch Aufdampfen im Vakuum einer dünnen Schicht (1000 8) von Aluminium auf die Außenfläche der Innenwände 82 der Kollektorelemente 14 hergestellt. Dann wird eine Chromschicht auf die Aluminiumgrundierung als Schwarzchrom bis zu einer Dicke von ca. 1500 2 elektrisch aufgedampft. Die Fläche 88 kann auch mit einem Belag von Infrarotenergie absorbierendem Material wie Magnesiumoxid, Magnesiumfluorid usw. geschwärzt werden.

Nach den Fig. 3, 5 und 7 weist die Rohrverzweigung 12 auch ein mittig angeordnetes Gebläse 90 auf. Das Gebläse 90 umfaßt einen herkömmlichen Elektromotor, der mit lösbaren Befestigungsmitteln 94 an der äußeren Metallhül-

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le 30 der Rohrverzweigung 12 angebracht ist. Der Elektromotor 92 ist vorzugsweise wetter- oder spritzwasserfest. Der Motor 92 kann auch^einem nicht gezeigten Schutzgehäuse untergebracht sein. Der Elektromotor 92 besitzt eine Abtriebswelle 96 mit einer wahlweise anschließbaren Kupplung 98, welche eine Gebläsewelle 100 antreibt, die durch die Plattenisolierung 34 in einer ausgekleideten Durchführung 102 bis in die Einlaßleitung 40 hineinragt. Am Ende der in der Einlaßleitung 40 angeordneten Welle 100 ist ein herkömmliches Lüfterrad mit Käfigankermotor 104 befestigt. Eine entsprechende an der Scheidewand 36 befestigte Abdeckung 106 bildet eine Einlaßöffnung 108, die konzentrisch und dicht am Lüfterrad 104 angebracht ist.

Die Rohrverzweigung 12 in Fig.^ 7 weist auch eine Luftsperre 110 auf, die in der Versorgungsleitung 40 zwischen der Scheidewand 36 und der inneren Blechhülle 32 angeordnet ist,sowie eine bogenförmige Profilplatte 112.

Die Luftsperre 110 und die Profilplatte 112 weisen eine symmetrisch angeordnete Kurvenfläche 114 auf, die für eine gleichmäßige Verteilung der Luft vom Lüfterrad 104 an alle Bereiche der Einlaßleitung 40 sorgt. Der Zugang zum Lüfterrad 104 ist leicht dadurch gegeben, daß die Profilplatte 112 und eine entsprechende Außenplatte 116, die ein Teil der äußeren Blechhülle 30 ist, als bewegliche Abschnitte ausgestaltet sind, die durch lösbare Befestigungsmittel 118 angebracht sind.

Nach den Fig. 2 und 5 umfaßt die Rohrverzweigung 12 auch einen längs angeordneten Wärmeaustauscher 120 in der Luftauslaß- oder Rücklaufleitung 42. Der Wärmetauscher 120 weist zwei parallele Längsplatte 122 für seine Montage zwischen der mittig angeordneten Scheidewand 36, wobei er etwa zwei Drittel der Breite der Auslaß- oder Rücklaufleitung 42 abschließt. Zwei parallele ebene Strömungsmittelleitungen oder -rohre 124 sind dichtend

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an zwei Längsplatten 122 befestigt. Die beiden Rohre bilden einen langen rechteckigen Durchgang oder Kanal 126, in welchem eine schlangenförmige Wärmetauschrippe oder Wärmeübertragungsfläche 128 angeordnet ist. Die Wärme-Übertragungsfläche 128 besteht vorzugsweise aus Metall, wie Kupfer, das gute Wärmeleitfähigkeiten aufweist und kann allgemein nach der herkömmlichen Wärmeübertragungstechnik ausgelegt sein, um den Wärmeaustausch zwischen der durch die Leitung 126 und der durch die Rohre 124 strömenden Flüssigkeit zu optimieren. An jedem Ende der Flachrohre 124 befindet sich ein Rohrverteiler 130, der die Flachrohre 124 mit einer einzelnen Flüssigkeitsleitung 132 verbindet und für die Verteilung des Stromes sorgt. An einem Ende des Wärmeaustauschers 120 bildet die Flüssigkeitsleitung 132 einen nicht gezeigten Umkehrbogen, wobei sie über die Länge des Wärmeaustauschers neben diesem angeordnet ist, so daß sowohl die Einlaßais auch die Auslaßflüssigkeitsleitung 132 vom gleichen Ende der Rohrverzweigung 12 herausgeführt sind (siehe Fig. 1).

Anhand der Fig. 4 wird nun der Luftumlauf in der Rohrverzweigung, den Kollektorelementen 14 und den Verteilerrohren 52 näher erläutert. Wie erwähnt, ist das Lüfterrad 104 in der Versorgungsleitung 40 angeordnet, wodurch der Luftstrom in diese eingespeist wird. Ein Teil der vom Lüfterrad 104 gelieferten Luft tritt in die verschiedenen kreisförmigen Leitungen ein, die durch die dünnwandigen Verteilerrohre 52 gebildet werden und bewegt sichnach links, d.h. außen von der·Rohrverzweigung 12 hinweg. Ein praktisch gleicher Teil der vom Lüfterrad gelieferten Luft gelangt in die durch die dünnwandigen Verteilerrohre 52 und die Innenflächen der inneren Glasrohrwände 82 der Kollektorelemente 16 gebildeten ringförmigen öffnungen. Diese Luft strömt nach rechts, außen von der Rohrverzweigung 12 weg. In beiden Fällen wird die Strömungsrichtung umgekehrt, wenn der Luftstrom die End-

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punkte der Verteilerrohre 52 und der inneren Glaswände 82 erreicht. Im ersten Fall beginnt die in der kreisförmigen Leitung des Verteilerrohrs 52 fließende Luft nach innen zur Rückleitung 42 in den kreisförmigen öffnungen zu strömen, welche durch die Verteilerrohre 52 und die Innenglaswände 82 der Kollektorelemente 14 gebildet werden. Umgekehrt strömt die vorher nach außen in den ringförmigen Bereichen laufende Luft zur Leitung in der kreisförmigen Leitung zurück, die durch die Verteilerrohre 52 gebildet wird. Die Luft durchläuft dann die Leitung 126 des Wärmetauschers 120 und gibt dabei die in den Kollektorelementen 14 gesammelte Energie an die Oberfläche 128 des Wärmetauschers 120 ab und schließlich an die durch die Flachrohre 124 des Wärmetauschers 120 strömende Flüssigkeit. Dann wird die Luft durch die kreisförmige Öffnung 108 über das Lüsterrad 104 abgesaugt und gelangt wieder in den Kreislauf»

Anhand der Fig. 4 wird auch das bevorzugte, doch nicht einschränkend erforderliche Rastermaß zwischen den benachbarten Kollektorelementen dargestellt. Wie erwähnt, weisen die Kollektorelemente 16 vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf. Wenn der Durchmesser eines Kollektorelements 14 mit "T" gegeben ist, so wird die optimale Dichte der Kollektorrohre und damit der optimale Wirkungsgrad für die Sammlung von Energie erreicht, wenn die Kollektorelemente 16 im Abstand von ca. "T" voneinander angeordnet sind. Anders ausgedrückt heißt dies, daß der Mittelabstand zwischen zwei benachbarten KoI- °0 lektorelementen vorzugsweise "2 T" beträgt. Es sei jedoch bemerkt, daß dieses bevorzugte Rastermaß die Erfindung weder eingrenzen soll, noch eine Absolutgröße darstellt, die nicht verändert werden darf. Wie bereits erwähnt, bestand die allgemeine Lösung zur Verbesserung der Verteilung und der Wärmeübertragung bei früheren herkömmlichen mit Luft arbeitenden Einrichtungen darin, die Arbeitsdrücke der Anlage zu erhöhen. Leider sind Ver-

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suche, diesen logischen Schluß auch auf Anlagen zur Rückgewinnung von Sonnenenergie anzuwenden, mit einem so starken Anstieg der Energieaufnahme der Anlage verbunden, um diese erhöhten Arbeitsdrücke zu erzielen, daß der Gesamtwirkungsgrad der Anlage vermindert wird. Beim erfindungsgemä'ßen Sonnenenergie sammler 10 wurde der Ort der Druckabfälle und damit von Verwirbelungen sowie einer verbesserten Wärmeübertragung sorgfältig ausgewählt, damit sie hauptsächlich an den Stellen der Wärmeübertragung auftreten und damit einen Betrieb bei außergewöhnlich niedrigem Luftdruck und damit geringer Energieaufnahme ermöglichen. Es sei bemerkt, daß die Querschnittsflächen der kreisförmigen Leitungen, die in den Kollektorelementen durch die dünnwandigen Verteilerrohre 52 und die kreisförmigen Leitungen, die durch die Außenwand der Verteilerrohre 52 und die Innenflächen der Innenwände 82 der Kollektorelemente 14 gebildet werden, ungleich sind, wobei die .Querschnittsflachen der ersten Leitungen erheblich größer sind. Diese Verschiedenheit der Querschnittsflächen ergibt eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit in den kreisförmigen Bereichen, wobei die begleitende Verwirbelung die Grenzschichten an den Innen- und Außenflächen der ringförmigen Leitungen aufwirbelt und damit die Wärmeübertragung an die Luft verbessert. Beispielsweise kann ein dünnwandiges Verteilerrohr 52 einen Durchmesser von ca. 1,25 Zoll (ca. 31,75 mm) und eine-innere Querschnittsfläche von ca. 1,2 Zoll² (ca. 7,74 cm²) aufweisen, wenn das Rohr 52 konzentrisch innerhalb der Innenwand 82 eines Kollektorelements 14 mit einem Innendurchmesser von ca. 1,54 Zoll (ca.39,11mm) angeordnet wird, so weist die daraus entstehende kreisförmige Leitung eine Querschnittsfläche von 0,6 Zoll² (ca. 3,87 cm²) oder etwa die Hälfte der Querschnittsflache der Innenleitung des Verteilerrohrs 52 auf. Damit

^° wird nicht nur die Luft innerhalb der kreisförmigen Leitung mehr verwirbelt, wodurch eine geringere Wahrscheinlichkeit für die Ausformung von isolierenden Grenz-

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schichten besteht, sondern auch der Energieverlust und der mit der Verwirbelung verbundene Druckabfall treten genau an der Stelle der Energieaufnahme auf/ wodurch die Energierückgewinnung und der Gesamtwirkungsgrad erheblich verbessert werden.

Die Auslegung des Wärmetauschers 120 ist für die Strömung und den Druckabfall erfindungswesentlich. Längsplatten 122 schließen ca. zwei Drittel der Querschnittsfläche der Auslaß- oder'Rücklaufleitung 42 ab, wobei eine Querschnitt^verengung der Leitung 126 entsteht, welche die Luft drosselt. Damit fließt die Luft durch die Leitung 126 sehr viel schneller und turbulenter als in anderen Teilen der Rohrverzweigung 12. Damit fällt wieder die Stelle eines Druckabfalls mit der Stelle von Energieübertragung zusammen.

Ein Zentral-Luft-Flüssigkeitssonnenenergiekollektor, der eine Flüssigkeit als eigentliches Wärmetränsfermittel verwendet, weist auch Konstruktionsvorteile auf.

Die offene Anordnung von Kollektoren, d.h. die Abwesenheit von laufenden Reflektorplatten bzw. transparenten Schutzabdeckungen und auch die zylinderförmigen Außenflächen der Kollektorelemente 14 ergeben einen sehr niedrigen elektrodynamischen Widerstand, wobei praktisch alle Erwägungen der Belastung durch Wind entfallen. Dieser verringerte Widerstand vermindert auch die Notwendigkeit für große, schwere und teure Trägerbauten, die die Gesamtkosten des Sonnenenergiekollektors erheblich vergrößern können. Außerdem vermindert die Verwendung eines Gases wie Luft als Hauptrückgewinnungsmedium für die Wärme das Betriebsgewicht des Kollektors, wodurch noch mehr die Größe und die Kosten der entsprechenden Träger herabgesetzt werden. Es ist auch von Vorteil, daß

"° das zweite und endgültige Wärmerückgewinnungsmittel eine Flüssigkeit wie Wasser ist, das eine hohe spezifische Wärme aufweist. Die Übertragung der rückgewonnenen Son-

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nenenergie vom Kollektor 10 zu ihrem Einsatzort in einem Gebäude kann durch herkömmliche, gut isolierte Kupferoder neuere Kunststoffrohre erfolgen. Normalerweise weist solch ein Rohr einen Außendurchmesser auf, der kleiner als ein halber Zoll (ca. 12,7 mm) und mit der entsprechenden Isolierung meist nicht größer als 1 Zoll (ca.25,4 nun) ist. Dieser geringe Durchmesser ermöglicht, besonders bei vorhandenen Gebäuden, eine direkte und meist ein- . fache Installierung, da die Rohre leicht durch Träger, Wandsäulen und Wände geführt werden können.

Auch bezüglich der Wärmeübertragungsflüssigkeit in den Rohren 124 des Wärmeaustauschers 120 sei bemerkt, daß Wasser eine unmittelbar vorteilhafte Wahl wegen seiner geringen Kosten, leichten Verfügbarkeit, Sicherheit und hohen spezifischen Wärme darstellt. Ein ebenso offensichtlicher Nachteil des Wassers ist seine Empfindlichkeit für Phasenänderungen, d.h. für Gefrieren und die damit verbundene volumetrische Ausdehnung während eines Überganges vom flüssigen zum festen Zustand. Es sei bemerkt, daß andere Flüssigkeiten, wie Glykole und Glykolgemische, als Wärmerückgewinnungsflüssigkeit im Kollektor 10 in Frage kommen. Weiter sei bemerkt, daß die Gesamtgröße und damit die Energiesammeikapazität des zentralen Luft-Flüssigkeits-Sonnenenergiekollektors 10 meist durch seinen Verwendungszweck bestimmt wird. Nichtsdestoweniger wird vorausgesetzt, daß der Kollektor 10 meist 72 Kollektorelemente 14 aufweist, die paarweise in gestaffelten Anordnungen von je 36 Elementen angeordnet sind. Die Zahl sowie auch die Länge der Kollektorelemente 14 können sehr stark schwanken.

Ferner sei auf die gestaffelte wechselweise Anordnung der Verteilerrohre 52 und der Kollektorelemente 14 hingewiesen. Diese Anordnung vereinfacht weitgehend die Konstruktion der Rohrverzweigung 12, besonders der Scheidewand 36. Bei verschiedenen früheren Sonnencnergiekollek-

toren waren mehrere Scheidewände und Leitungen erforderlich, um die Luft an die Wärmerückgewinnungselemente heranzubringen. Diese Kompliziertheit ergab außer den wachsenden Kosten für den Kollektor häufig eine schlechte Luftverteilung. Beim erfindungsgemäßen zentralen Sonnenenergiekollektor 10 verteilen zwei im wesentlichen identische Leitungen 40 und 42 die Luft direkt und gleichmäßig an die Kollektorelemente 14 und die Verteilerrohre 52. 10 Außer dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind noch weitere möglich, ohne den Rahmen der. Erfindung zu verlassen.

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Claims

Patentansprüche

[ 1.jLuft-FlÜEsigkeits-Sonnenenergiekollektor, gekennzeichnet durch eine Rohrverzweigung (12) mit zwei Leitungen (40, 42), mehrere evakuierte Sonnenenergiekollektorelemente (14) mit einer Innenwand (82), einem hohlen Längsglied (52) , das in den einzelnen Kollektorelementen (14) angeordnet ist, wobei die einzelnen hohlen Glieder (52) eine innere Leitung darstellen, die mit einer der Leitungen (42) der Rohrverzweigung (12) in Verbindung steht und die einzelnen Kollcktorelemente (14) eine äußere Leitung zwischen der Innenwand (82) der Kollektorelemente (14) und dem Langteil (52) bildet, die mit der anderen (40) Leitung der Rohrverzweigung (\2) in Verbindung steht, und durch einen mit einer (42) der Leitungen angeordneten Wärmeaustauscher (120).
2. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (92, 104) für den Luftumlauf durch die Kollektorelemente (14), die Hohlglieder (52), die Leitungen (40, 42) und den Wärmeaustauscher (120).
3. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Rahmen (16), der die Rohrverzweigung (12) und die Kollektorelemente (14) trägt.
4. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelemente (14) in zwei Reihen auf sich gegenüberliegenden Flächen der Rohrverzweigung (12) planparallel angeordnet sind.
5. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelemente (14) zyiinderförmig und in zwei Reihen auf sich gegenüberliegenden

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Seiten der Rohrverzweigung (12) parallel zueinander angeordnet sind und, daß alle Elemente (14) der einen Reihe seitlich gegenüber allen Elementen (14) in der anderen Reihe um einen Abstand (T) angeordnet sind, der annähernd gleich dem Durchmesser ist.
6. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Wärmeaustauscher (120) praktisch über die volle Länge der einen Rohrverzweigungsleitung (42) erstreckt und ein Langteil (122) umfaßt, welches einen Teil der Breite der Leitung (42) verschließt.
7. Luft-Flüssigkeits-Sonnenenergiekollektor, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rohrverzweigung (12) zwei nebeneinanderliegende Leitungen (40, 42). mehrere evakuierte Rohrkollektoren (14) aufweist, die jeweils ein Längskollektorelement (14) mit einer Innenwand

(82) und einem hohlen Langglied (52) besitzen, das im Kollektorelement (14) angeordnet ist und eine innere Leitung im Langglied (52) sowie eine äußere Leitung zwischen dem Langglied (52)· und der Innenwand

(82) des Kollektorelements (14) bildet,daß die Innenleitung der einzelnen Kollektorelemente (14) mit einer (42) der beiden Leitungen der Rohrverzweigung (12) und die Außenleitungen der KoIlektorelemonte (14) mit der anderen (40) der beiden Leitungen der Rohrverzweigung

(12) in Verbindung steht, daß ein Lu⁴:t-Flüssigkeits-Wärmeaustauscher (120) in einer (42) der beiden Leitungen der Rohrverzweigung (12) angeordnet ist und eine Vorrichtung (90, 104) die Luft durch die Leitungen (40, 42), die Kollektorelemente (14) und den Wärmeaustauscher (120) umlaufen läßt.
8. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelemente (14) zylin-

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derförmig und in zwei planparallelen sich gegenüberliegenden Seiten der Rohrverzweigung (12) in Parallelrastermaß mit einem Abstand (T) angeordnet sind, der annähernd gleich ist dem Durchmesser der Elemente (14), wobei die Elemente (14) in einer der Reihen seitlich gegenüber den Elementen (14) in der anderen Reihe um einen Abstand versetzt sind, der annähernd gleich ist dem Durchmesser (T).
9. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung für den Luftumlauf (90) einen Elektromotor (92) und ein Gebläse (104) aufweist, und daß die Rohrverzweigung (12) auch eine Vorrichtung (52) besitzt, welche die gleichmäßige Verteilung der Luft in mindestens einer (42) der beiden Leitungen der Rohrverzweigung (12) unterstützt.

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10. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher

(120) zwei parallele Flüssigkeitsförderrohre (124) aufweist, die eine Luftleitung (126) bilden, daß eine Vorrichtung (128) in der Luftleitung (126) angeordnet ist, um die Wärmeübertragung zwischen der in der Luftleitung (126) strömenden Luft und einer Flüssigkeit zu ver-¹^ stärken, die in den Rohren (124) fließt, und eine Vorrichtung (122) einen Teil der einen (42) der beiden Leitungen der Rohrverzweigung (12) abschließt, in welcher der Wärmeaustauscher (120)

angeordnet ist.
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11. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrverzweigung (12) eine Außenhülle (30) und eine Innenhülle (32) aufweist,die zwischen sich einen Raum (34) bilden,wobei

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der Raum (34) durch ein Isoliermaterial (34) ausgefüllt ist, daß eine Scheidewand (36) durchgehend und mittig in der inneren Hülle (32) angeordnet ist und zwei Leitungen (40, 42) der Rohrverzweigung (12) sowie eine Reihe von öffnungen (44) zur Aufnahme eines Endes der langen Hohlglieder (52) bildet.
12. Luft-Flüssigkeits-Sonnenenergiekollektor, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rohrverzweigung (12) eine äußere Hülle, eine innere Hülle (32), eine durchgehend mittig in der inneren Hülle (32) angeordnete Scheidewand (36), die zwei nebeneinanderliegende Leitungen (40, 42) bildet,einen inder einen Leitung (42) angeordneten Luft-Flüssigkeits-Wärmeaustauscher

(120) sowie eine Vorrichtung (92, 104) für den Luftumlauf aufweist, daß mehrere evakuierte Rohrkollektorelemente (14) jeweils ein Langkollektorelement (14) mit einer Innenwand (82) und einer Außenwand (80) mit einem langen Hohlglied (52) versehen sind und im Hohlteil (52) eine innere Leitung sowie zwischen dem Hohlteil (52) und der Innenwand (82) der einzelnen KoIlektorelernente (14) eine Außenleitung bilden, wobei die Innenleitung der einzelnen Kollektorelemente (14) mit der einen (42) der beiden Leitungen der Rohrverzweigung (12) und die Außenleitung der Kollektorelemente (14) mit der anderen (40) der beiden Leitungen der Rohrverzweigung (12) in Verbindung steht.
13. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Innenleitungen (52, 52) circa das Doppelte der Querschrittsflache der Außenleitungen (52, 82) beträgt.

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14. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die langen Hohlglieder (52) Vorrichtungen (54) enthalten, damit sie im allgemeinen

koaxial zur Innenwand (82) der Kollektorelemente (14) bleiben.

•15. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 12, gekennzeich net durch eine zwischen der Außenhülle (30) und der Innenhülle (32) angeordnete Plattenisolierung (34).

16. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (120) zwei . parallele Flüssigkeitsförderrohre (124) aufweist, die einen Luftkanal (126) bilden, daß eine Vorrichtung (128) im Luftkanal (126) angeordnet ist, um die Wärmeübertragung zwischen der im Luftkanal (126) strömenden Luft und der in den Rohren (124) fließenden Flüssigkeit zu verstärken und daß eine Vorrichtung (122) einen Teil der^einen (42) Leitung der Rohrverzweigung (12) verschließt, in welcher der ■ Wärmeaustauscher (120) angeordnet ist.

17. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Rahmen (16), der die Rohrverzweigung (12) und die Kollektorelemente (14) trägt.

18. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftumlauf_wvorrichtung (90)

einen Elektromotor (92) und ein Gebläse (104) aufweist und daß die Rohrverzweigung (12) eine Vorrichtung (52) aufweist, welche die gleichmäßige Verteilung der Luft mindestens einer (42) der beiden ^O Leitungen unterstützt.

19. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelemente'(14) zylinderförmig und in zwei planparallelcn Reihen auf sich gegenüberliegenden Seiten der Rohrverzweigung (12) im parallelen Rastermaß in einem Abstand (T) angeordnet sind, der annähernd dem·Durchmesser der EIe-

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meiite (14) entspricht und, daß die Elemente (14) einer der Reihen über den Elementen (14) in der an deren Raihe seitlich um einen Abstand (T) versetzt sind, dar diesem Durchmesser annähernd gleich ist.

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