DE3312364A1

DE3312364A1 - Hochleistungskollektor zur gewinnung von waerme durch sonneneinstrahlung mittels einsatz einer geschwaerzten sole in einfacher und in vakuumausfuehrung

Info

Publication number: DE3312364A1
Application number: DE3312364A
Authority: DE
Inventors: Manfred 6400 Fulda Dittmar; Arnold 6405 Eichenzell Grimm
Original assignee: Griwo Technik Grimm & Wolf
Current assignee: Griwo Technik Grimm & Wolf
Priority date: 1983-04-06
Filing date: 1983-04-06
Publication date: 1984-11-08

Description

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GRIV/O-Technik ^:-"

Grimm & Wolf , - . · - ·

Zirkenbacher Str· 36

6400 Fulda 26 / ...

BeSchreibung der Erfindung

Der Erfindungsgegenstand ist wie·folgt beschrieben und anhand folgender Zeichnungen ( Fig· 1.bis 6 ) näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Eine Prinzipzeichnung über die Anordnung des mäanderförmig ausgelegten Wandlerelementes (1) und dessen Anschlüße (2) die slaäi diagonal gegenüber liegen.

Das Gehäuse Fig. 2 besteht,hier im Schnitt dargestellt,aus dem Hauptgehäuse (3) und dem Boden (4).Beide Teile sind aus Kunststoff= material hergestellt,welches eine hohe Hitzebeständigkeit hat,so=' wie witterungs- und verrottungsfest ist.Verbunden werden die-Teile 3 und 4- durch Verkleben oder Verschweißen.

Zur Vermeidung von Wärmeverluste, ist der Kollektor mit; einer hoch= temperaturbeständigen Isolierplatte (5) ausgelegt.Dieser Isoler= platte ist eine reflektierende Metallfolie,sie ist von ungleich= -~ mäßig gewellter Struktur,aufgebracht.Diese Folie#tn.e einfallenden Sonnenstrahlen,die nicht direkt auf das Wandlerelement auftreffen, S3'reflektieren,um so einen größeren Anteil der Sonneneinstrahlung auf das Wandlerelement zu werfen^ Fig 2-6)·

Auf zwei Metallschienen (7) ( auf der Zeichnung nur eine Schiene dargestellt) sind die aus durchsichtigem Material bestehenden Rohre des Wandlerelementes (8).aufgelegt und mit einer temperatur= beständigen Klebemasse miteinander verbunden.Die Metallschienen haben die Aufgabe der Mot ageerleichterung,der'Befestigung mit dem Kollektorgehäuse und der Schaffung eines Abstandes der Rohre zur reflektierenden Folie,um so-einen.größeren Anteil der reflektierten Sonneneinstrahlung auf die Rohre zu werfen.Befestigt werden die Schienen (7) mit der Isolierplatte (5) an das Gehäuse mittels Schrauben. ......

Als Anschluß für den Zu- und Rücklauf der Sole zu dem Wandlerele= " ment dient ein Metallrohr mit Kümmer,Platine und genormten Rohrsanschlußstück (9) aus nichtrostendem Material. Abgedeckt wird das' Wandlerelement mit einem speziell für Sonnenkollektoren entwickele .tes Sicherheitsglas (10) mit hohem Transmissionsgrad.Die dem "Wandlerelement zugewandte Seite des Sicherheitsglases weist eine, -feinstrukturierte aufgerauhte Oberfläche auf.Diese Oberfläche wirft Reflexionen vom Wandlerelement (8) und der Folie (6) wieder zu= rück.Im Zusammenwirken dieser feinstrukturierten aufgerauhten Oberfläche und der Folie wird ein Maximum an Reflexionen auf das Wandlerelement geworfen.

Befestigt wird die Glasscheibe mit dem Kollektorgehäuse durch ein Dicht- und Klebewerkstoff welches zwischen Glasrand und Kollektor . gespritzt wird.

Zur Vermeidung des bei Kollektoren herkömmlmcher Bauart üblichen Schwitzwassers,wird dieser Kollektor belüftet.Die dabei aufteten= Wärmeverluste sind wesentlich geringer als die Verluste durch .Schwitzwasser" im Innenraum des Kollektors.

Die· Belüftung wird durch Bohrungen an Stirn- (11+12) und Rückseite (13+14·) des Kollektors durchgeführt.Dabei sind die Bohrungen stets so angelegt,daß im Falle eines Bruchs des Wandlerelementes das in .den Rohren enthaltene Wärmeträgermediuia stets durch die öffnungen '■ (12) und (11) nach außen auf das Dach abfließen kann.Die für diese ι

• Kollektoren verwendete Wärmeträgermedien bzw. Solen sind nicht -j umweltgefährdend.Dabei ist zu berücksichtigenfimmer in einem ge= wissen Neigungswinkel aufgestellt werden.Die Bohrungen ζ11 +12) werden sich somit immer am Fußpunkt des Kollektors befinden.

• Damit Regen-....oder Schmelzwasser ungehindert ablaufen können,ist der untere Rand des Kollektors mit-einer Aussparung.(1f)·Glas= oberfläche und Oberrand der Aussparung sind in gleicher Höhe. ^:

Zur Erleichterung der Befestigung des Kollektors auf einen Träger, ist der Kollektor mit einem alle Tier Seiten umfaßenden Kragen versehen.Hier können Bohrungen (Y£) an beliebiger Stelle und aus= reichender Zahl angebracht und mittels Schrauben der Kollektor mit dem Kollektorträger verbunden werden.

Eine Abdeckung (/?) ist schräg vor der Bohrung (//) -angebracht,um ein Eindringen von Regen- oder Schmelzwasser in den Hohlraum des Kollektors zu verhindern.

Werden für die Wandlerelemente transparente Kunststoffröhre ver= wendet,so werden die mäanderförmig verlegten Kunststoffrohre an_ ihren Verbindungsstellen miteinander verschweißt.Als Anschluß für die Zu- und Abflüße des Wandlerelementes wird ein Metallrohr wie in Fig. tj verwendet über die je eines der Rohrenden des Wandler= elementes gezogen wird. Zum Befestigen und leckagenfreien Abdich= ten der Kunststoffrohre mit dem geweiligen Anschluß für den Zu- und Abfluß wird eine Schraub-oder Klemmschelle verwendet.

Bei Verwendung von Glas als Wandlerelemente müssen die Material- und Bearbeitungseigenschaften des verwendeten Glases genau be= achtet werden,um eine" absolut hohe Betriebssicherheit auch bei sehr hohen Temperaturen zu erhalten.Zur Senkung von Herstellkosten werden zum Verbinden der einzelnen Glasrohre des Wandlerelementes Dicht- und Klebewerkstoffe verwendet.Ebenfalls zum Verbinden und _Λ

- Abdichten der Anschlußstücke mit dem Wandlerelement wird, ein spe=v ziell darauf abgestimmter Dicht- und Klebewerkstoff verwendet. |

Die Biegungen bzw. Krümmer 'des Wandlerelementes sind aus dem i gleichen Glaswerkstöff wie die geraden Rohrteile .Dies ist wegen, ■; '* der gleichen. Temperaturausdehnung erforderlich.

Fig 3 zeigt einen Krümmer (//) der in ein größeres Rohr steckt " . und durch einen Dicht- und Klebewerkstoff \zO} miteinander ver=

- bunden ist. Zur leichteren Montage ist das Rohr (^) am Ende leid auf gebördelt und der Krümmer (Zi⁷) hat eine Wulst. Während der Er=

■"^: wärmung der beiden Glaskörper Qf*/3 ) kommt es zu einer Ausdehnung . der beiden,wie auch beim Erkalten ein Zusammenziehen erfolgt. Dies verursacht ein besonderes Abdichtungsproblem zwischen den beiden Körpern.Aus diesem Grunde kommt nur ein Dicht- und Klebe= werkstoff zur Anwendung der sich den Ausdehnungen dem Zusammen= ziehen wie auch dem Druck,erzeugt durch die Sole in dem Glaskörper über einen weiten Temperaturbereich anpaßt ohne selbst Spannungen in den Glaskörpern zu erzeugen.

An den beiden Enden des Wandlerelementes wird das Anschlußstück (S ) mit dem Verbindungsrohr ( Fig.iW/) aus nichtrostendem Material eingesetzt,das einen gleichen oder nur gering abweichen* ·'. den Ausdehnungskoeffizienten haben darf wie das darüher sitzende i.Glasrohr (ZZ ).Der Dicht- und KLebewerkstoff (^J ) hat hierbei ^gleichen--Aufgabenwieunter,,Pig 5 beschrj^i'ben. · &Ϊ^ D ORIGINAL ■£*■ _/ _: _ _A ^

Der Kollektor kann auch bei sonst gleichen Aufbau,als Vakuum=

kollektor ausgelegt sein.Der unterschied zu dem vorher beschrie= benen Kollektor liegt nur im unterschiedlichen Aufbau der Wand= lerelemente.Dies bewirkt auch eine preisgünstige Herstellung des gesamten Kollektorprogramms,da die Teile weitesgehend unterein= ander austauschbar sind. .

Das Wandlerelement beim Vakuumkollektor kann nur aus Glas"-be= stehen.Dessen geradformige Teile bestehen aus einem Innen-und Außenrohr.Die Enden der beiden Glasrohre sind miteinander ver=' schmolzen Fig. 5 und der Zwischenraum ist evakuiert .Die Evakuierung bewirkt eine hohe Temperaturesolation gegenüber der Kühlung durch niedrige Außentemperaturen.So kann bei Sonneneinstrahlung,nur zu= sätzlich gemindert um die Dämpfung des Außenrohres,auch bei' Außentemperaturen die weit unter' äsm Null^ss Grad liegen,die im Innenrohr fließende Sole erwärmt werden.

De~r Vorteil dieses' Vakuumkollektors ligt in seiner praktisch un= begrenzten Lebensdauer.Der Vakuumraum ist gänzlich-umschlossen, und da er mit keinen Materialien verbunden ist die einen unter= schiedlichen Ausdehnungskoeffizienten haben,besteht auch nicht die Gefahr des Vakuumverlustes durch sich bildende mikrofeine Zwischen= räume an den Verbindungsstellen zweier unterschiedlicher Mater= ialien,durch die der Lufteintritt ermöglicht wird.

Fig 5- zeigt eine Prinzip zeichnung in Längstquerschnitt ,ä» dee eines Vakuumrohres,bestehend aus miteinander verschmolzenen Innen- und Außenrohr,dargestellt ist.Bei doppeIwandigen Rohren großer Länge wird die mechanische Stabilität zwischen den Rohren erhöht, wenn zwischen denselben Abstandshalter angebracht sindJ3ei der dieser Erfindung zugrunde liegender Anmeldung wurden die Abstands= halter (Z6) mittels Nasen,die vom Außenrohr nach innen gezogen wurden,erreicht.Dies verbilligt die Herstellung solcher Vakuum= rohre wesentlich.Die Abstandhalter werden im. Winkel von 120 Grad nach innen gezogen.Um Spannungen zu vermeiden,die durch unter= schiedliche Erwärmung und damit unterschiedliche Ausdehnung der beiden Rohre sich ergeben- das Innenrohr dehnt sich äs&sfc, aufgrund der in ihm fließenden erwärmten Sole,stärker als das Außenrohr ausmüssen die Abstanshalter (ZS ) einen geringen Abstand zum .Innen= rohr bei der Herstellung haben.

Fig.6 zeigt einen Querschnitt zur Längstrichtung eines Vakuum= rohres. Das Außenrohr CJY) mit seinen nach innen gezogenen Nasen ( J5") als Abstandshalter und den Zwischenraum C^O zum Innenrohr.

Die mäanderförmige Verbindung der Vakuumrohre untereinander und der Anschlüße für die Zu- und Abflüße erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie in Abschnitt Fig." 3 + 4- beschrieben.

Statt des Vakuumkollektors kann die Wärme-bzw Temperaturisolation auch erreicht werden,wenn· auch nicht in gleicher Höhe,wenn auf dem Kollektor wie unter Fig.2 beschrieben eine zweite Glasscheibe zur Erhöhung der Isolation aufgebracht wird.Die zweite Glasscheibe wird dann auf dem obersten Rand des Ss Kollektors gesetzt und mit Dicht- und Klebewerkstoffen befestigt.

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Einen weiteren ^ationalisierungsvorteil bedeutet es,daß man die geraden Rohrteile des EnergieWandlers auch für den Auf=-- bau eines Energiezaunes verwenden kann»

Die trifft sowohl für die Rohre des einfachen Wandlerelementes, wie unter Pig 2 beschrieben wie auch für das Vakuumrohr wie unter· Fig. 5+6 beschrieben,zu. . -

Verbunden werden' dann die Rohre mit Verbindungselemente]! die sich in" ihrem Grundaufbau der Fig. 3-18 gleichen,d.h."die Wulst ist an federn Ende des Verbihdungselementes vorhanden. Jedoch in ihrer Form können die Verbindungselemente sich jeder gewünschten Form des Energiezaunes anpassen,so daß die Form der Verbindungselemente von gerade bis zum Krümmer mit unter= schiedlichen Krümmungswinkel erstrecken kann.

Die Form des Energiezaunes wird nur begrenzt durch die glffifcffX" Gegebenheiten des Aufstellungsortes.durch baupolizeiliche Vorschriften und durch die Fließfähigkeit der Sole in den Rohren des Wandlerelementes.Der Energiezaun wird dann nur noch zusätzlich durch ein Gitter vor mechanischer Beschädigung geschützt.

Leerseite —

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Claims

Patentansprüche

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f1.)Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,daß Rohre aus durchsich=. ?

^—' tigern Material mäanderförmig als Wandler-bzw. Absorber= \ elemente im Kollektorgehäuse verlegt sind. _ -\

2» Anspruch 1-2 dadurch gekennzeichnet,daß die geraden Rohrteile■ des Wandlerelementes. mit einem Krümmer aus gleichem Material i verbunden sind. · ί

3· Anspruch 1-3 dadurch gekennzeichnet,da_ß das gerade Sis Rohr ' und der Krümmer,wie im Anspruch 2 beschrieben,mit einem Dicht- und Klebewerkstoff verbunden sind,der den Ausdehnungen und dem Zusammenziehen des Werkstoffes folgt ohne selbst Material= Spannungen durch eigenes Ausdehnen in den Rohren und Krümmern. zu erzeugen. . ■ . '

4. Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet,daß jedes Wandlerelement zwei'.Anschlußelemente aus nichtrostendem Material hat.

P 1-5 dadurch gekennzeichnet,daß daa Rohr eines An=

Schlußelementes,welches in das Ende eines Wandlerelementes hineinragt,einen Ausdehnungskoeffizienten haben muß,daß dem des'umgebenden Rohres gleich oder annähernd gleich ist, und wie unter Anspruch 3 beschrieben mit einem Dicht- und Klebe= werkstoff mit dem umgebenden Rohr verbunden ist. ·

6· Anspruch 1-6 dadurch gekennzeichnet,daß die Platine des An= Schlußelementes so geformt ist,daß es die Aufgabe erfüllt die mechanischen Belastungen die das Anschrauben einer Anschluß= J verbindung an den Kollektor bewirkt,selbst auffängt und sie f nicht an das Wandlerelement weitergibt,um Beschädigungen zu "* vermeiden..

7· Anspruch 1-7 dadurch gekennzeichnet,daß das Wandlerelement auf zwei Metallschienen Fig. 2-7 mit einem Dicht- und KLebewerk= . stoff verbunden ist,und die ifetallschienen mittels"Schrauben ' zusammen mit der Isolierplatte an den Boden des Köllektorge= häuses geschraubt ist.

'8. Anspruch 1-8 dadurch gekennzeichnet,daß als Wandlerelemente auch Vakuumrohre, verwendet werden können.

9· Anspruch 1-9 dadurch gekennzeichnet,daß,wenn Vakuumrohre als Wandlerelemente verwendet werden,diese aus Glas bestehen.

10". Anspruch 1-10 dadurch gekennzeichnet,daß ein Vakuumrohr aus einem Innen-.und Außenrohr besteht,dessen Stirnseiten mitein= i einander verschmolzen sind und der Zwischenraum evakuiert ist.

11· Anspruch 1-11 dadurch gekennzeichnet,daß ein Vakuumrohr als Wandlerelement aus Stabilitätsgründen,wenn erforderlich, " · zwischen Innen- und Außenrohr Abstandshalter angebracht werdet die die Stabilität erhöhen.

12. Anspruch 1-12 dadurch gekennzeichnet,daß die Abstandshalter auch aus dem gleichen Außenrohr,bei gleichseitiger Erhitzung · desselben,gezogen werden können. -

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13. Anspruch 1-13 dadurch gekennzeichnet,daß die Abstandshalter zum Innenrohr einen geringen Abstand halten,um bei Ausdehnung des Innenrohres auftretende Materialspannungen .zu vermeiden.

14. Anspruch 1-14 dadurch gekennzeichnet,daß das Kollektorgehäuse aus einem Kunststoffteil gezogen und mit einem zweiten Kunst=

- stoffteil als Boden miteinander verschweißt oder verklebt ist.

15· Anspruch 1-15 dadurch gekennzeichnet,daß alle vier Seiten, des Kollektörgehäuses ed.nen Kragen haben,der als Befestigung für den Kollektor auf einen Kollektorträger dient.'

16. Anspruch 1-16 dadurch gekennzeichnet,daß Bohrungen in dem Rahmen des Kollektorgehäuses angebracht sind, um das Kollektor= innere zu entlüften und das Entstehen von Schwitzwasser zu verhindern.

17i Anspruch 1-17 dadurch gekennzeichnet,daß vor dem Bohrloch nach Fig. 2-11 eine Abdeckung Fig 2-17 angebracht ist, um das Ein= dringen von Regen- und Schmelzwasser in die Hohlräume des Kollektorrahmens zu verhindern·

18. Anspruch 1-18 dadurch gekennzeichnet,daß eine Aussparung am Fußteil des Kollektorrahmens so. angelegt ist,daß die Oberseite der Aussparung mit der Oberfläche des Sicherheitsglases eine durchgehende Fläche bildet,damit Regen- und Schmelzwasser ab= · - fließen können.

19· Anspruch 1-19 dadurch gekennzeichnet,daß eine gewellte I-fetall=- folie als Reflektor dient.

20. Anspruch 1-20 dadurch gekennzeichnet,daß das Wandlerelement zwischen Reflektor, und Sicherheitsglas angebracht ist·

21. Anspruchrdadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Sicherheits= scheibe,die dem Wandlerelement zugekehrt ist, eine strukturierte aufgerauhte Oberfäche -hat·

22· Anspruch 1-22 dadurch gekennzeichnet,daß die geraden Rohrteile eines Wandlerelementes,seien es Wandlerelemente in einfacher Ausführung oder Wandlerelemente in Vakkumausführung, als Module ."für einen .Energiezaun verwendet werden können.

23.'Anspruch 1-23 dadurch gekennzeichnet,daß ein Energiezaun sich den Gegebenheiten des Aufstellungsortes anpassen kann und nur durch baupolizeiliche Verordnungen und dem Fließverhalten der Sole in seinen Abmessungen begrenzt wird. " "

24· Anspruch 1-24 dadurch gekennzeichnet,daß der Energiezaun durch •'■_;. ein Schutzgitter die Wandlerelemente vor mechanischer Beschä= -","''." digüngen schützt·

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v-_.v^ _■__._._:_,_ Äu_uuu__iig, UCi- c___g,«i_oi-cix_a.oe_i oonnenenergie una, daunt·; eine Erhöhung des Wirkungsfaktors von Sonnenkollektoren durch diel direkte Umwandlung der Sonnenenergie in. Wärme mittels einer ge=« -schwärzten Sole.Dies wird dadurch erreicht,daß das Wandlerelement . (für Wandlerelement wird auch der Begriff Absorberelement ver= wendet,) aus durchsichtigem Material besteht und mäanderförmig ( Fig. 1 ) verlegt wird und die durchfließende Sole geschwärzt ist. · . -

Eine Gruppe,der auf dem Markt angebotenen Kollektoren,verwenden · als Wandler- bzw. Absorberelemente Metallbleche oder -rohre die i geschwärzt sind.Bei Verwendung von Blechen sind diese doppelwand!, ausgelegt,um so einen Zwischenraum zu schaffen für den Durchfluß - der Sole.

Bei Verwendung von Rohren wird die wirksame Oberfläche der Rohre durch zusätzlich angebrachte Wärmeleitbleche an den Rohren er= höht.

Diese Bleche oder Rohre sind geschwärzt, um einen größeren Anteil] der eingefallenen Strahlungsenergie in Wärme umzuwandeln.Die so. ! entstandene Wärme' wird dann mittels der Sole abgeleitet und sie i einem Wärmetauscher oder Speicher zugeführt.Da die Sole hierbei I nicht dae gesamte an dem Absorberelement umgewandelte Wärme ab= i leiten kann,entstehen hierbei Verluste die dann dem Wärmetauscher: oder Speicher fehlen. · · ]

Bei der^direkten Umwandlung der eingestrahlten Sonnenenergie in "i Wärme,wie sie dieser. Patent- und Gebrauchsmusterschutzanmeldung \ zugrunde liegt,werden diese Verluste vermieden. ,:

Eine andere Gruppe von Kollektoren,die sich auf dem Markt befinden verwenden als Absorber- bzw Wandlerelement auch durchsichtige j Materialien.Diese Absorberelemente bestehen aus Rohren oder aber I zweischichtigen Flächen,wobei der Zwischenraum oder d'ie Rohre mit f geschwärzter Sole aufgefüllt sind.Diese Kollektoren haben jedoch j Abdichtungsprobleme an den Anschlußelementen,die schwierig zu be= herrschen sind oder aber Probleme durch die Ausdehnung der Ma= 1 terialien bei Erwärmung derselben· ]

Die vorliegende Patent- und Gebrauchsmusterschutzanmeldung behebt! diese Mangel. j

Eine dritte Gruppe von Kollektoren,die sich auf dem Markt befinden, sind als Vakuumkollektoien ausgelegt. Hierbei werden die Wandler= J elemente,die aus Metall sind,mit einem Glaskörper umgeben und der Zwischenraum evakuiert,um so eine hohe Isolation gegen Wärmever= f luste durch die umgebende Außentemperatur zu erreichen.

Die Problematik bei diesen Vakuumkollektoren ist das Diclr-ungs= problem an den Berührungsflächen zwischen dem Glas und dem Wandlerelement aus Metall.Aufgrund der unterschiedlichen Ausdeh= nungskoeffizienten kann es an diesen Berührungsflächen zu Undicht= heiten führen,.was zu einem Verlust von Vakuum führt.

Bei der vorliegenden Patent- und Gebrauchsmusterschutzanmeldung wird als Wandlerelement für den Vakuumkollektor (Fig 5 u. 6) das gleiche Material verwendet,wie für die das Wandlerelement umgeben· de Hülle.Somit haben beide Teile des Wandlerelementes den gleiche! Ausdehnungskoeffizienten,und damit treten an den Verbindungsstelle

• keine Undichtheiten auf,zumal die beiden Teile miteinandervex·» ^

/schmolzen werden, ii; ^ .: : BAD