DE4243660C2 - Solarkollektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Solarkollektor mit einem innerhalb eines evakuierbaren trans­ parenten Hüllrohrs angeordneten kombinierten Absorber- und Speicherrohr mit selektiver Beschichtung.

Derartige Solarkollektoren zur thermischen Solarenergienutzung, insbesondere zur Erwärmung von Trinkwasser oder anderen Fluiden, sind bekannt. Bei der Ausgestaltung von Solarkollektoren zur Erwärmung von Trinkwasser ist unter anderem die Tatsache zu berücksichtigen, daß sich Legionellen als schwerwiegende Krankheitserreger bei Warmwassertemperaturen unter 60°C im Warmwasserspeicher stark vermehren.

Stand der Technik bei Solarkollektoren zur Erzeugung von Temperaturen über 60°C auch bei niederen Außentemperaturen:

• 1) Flachkollektor mit transparenter Wärmedämmung und evakuiertem Innenraum nach europäischem Patent Nr. 035 1546.

Nachteile:

• - Verringerte Transmission der Solarstrahlung durch Glasabdeckung und transparenter Wärmedämmung- Wärmetauscher erforderlich, dadurch Wirkunggradverluste.
• - Stützelemente für Abdeckscheibe erforderlich, d. h. Verluste durch Wärmeleitung.
• - große Oberflächen und zusätzliche Dämmstoffe erforderlich.
• 2) Vakuumkollektoren: Wärmerohr mit Kältemittel ist in evakuiertem Glastubus fest eingeschweißt (Firma Klöckner, Firma Philips).

Nachteile:

• - sehr aufwendige und teure Fertigung
• - Vakuum bestimmt Lebensdauer des Kollektorrohres.
• - Durch mechanische Anforderungen und Geometrie geringere Transmission der Solarstrahlung durch Glastubus als bei Einscheibenflachkollektoren.
• - Wärmeübertragung durch Kältemittel benötigt Temperaturdifferenz, dadurch entstehen Verluste, auch wenn diese geringer als bei den Wärmetauschern für Flachkollektoren ausfallen.
• 3) Selektive Beschichtungen für Absorberoberflächen zur Verringerung von Strahlungsverlusten.
  Ausbildung des Absorbers als Speicherrohr zur Vermeidung von Wärmetauschern (Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme, Freiburg), neuerdings auch im evakuierten Glasrohr (Firma Prinz, Stromberg).

Nachteile:

• - Der Speicherkollektor des Fraunhoferinstituts benötigt transparente Wärmedämmung und Abdeckscheibe. Es findet ein erheblicher konvektiver Wärmetransport vom Speicherrohr an das Gehäuse statt.
• - Der Vakuumspeicherkollektor der Firma Prinz besitzt die oben angeführten Nachteile der Vakuumröhren mit Ausnahme des entfallenden Wärmetauschers.

Aus der DE 91 16 287 U1 ist ein Solarkollektor mit einem innerhalb eines evakuierbaren transparenten Hüllrohrs aus Glas angeordneten kombinierten Absorber- und Speicherrohr mit selektiver Beschichtung zur Aufnahme bzw. Zirkulation eines Wärmeträgers bekannt. Der zwischen dem Speicherrohr und dem Hüllrohr liegende Hohlraum ist vakuumdicht ausgebildet und geeignet, ein Dauer-Hochvakuum aufrecht zu erhalten.

Aus der EP 0 041 943 A2 ist eine Solaranlage mit einem Flächenkollektor bekannt, dessen Absorberblech eine Kegel- bzw. Zylinderfläche bildet. Zum Schutz vor Umwelteinflüssen ist der Flächenkollektor in einem Gehäuse aus lichtdurchlässigem Material, insbesondere Kunstglas, angeordnet.

In der FR-OS 2 487 054 ist ein Solarkollektor mit in Vakuum angeordnetem Absorberrohr beschrieben, dessen Ummantelung einen Stutzen zum Anschluß einer Vakuumpumpe aufweist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Solarkollektor der eingangs genannten Art zu schaffen, der mit geringem Aufwand und kosten­ günstig herzustellen und zu implementieren ist, der einfach reparierbar ist und dessen Wärmeleitungsverluste verringert sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Solarkollektor mit einem innerhalb eines evakuierbaren transparenten Hüllrohrs angeordneten kombinierten Absorber- und Speicherrohr mit selektiver Beschichtung vorgeschlagen, wobei das Hüllrohr aus transparentem Kunststoff, insbesondere PMMA, besteht, zwei die Enden des Hüllrohrs beaufschlagende und dicht abschlie­ ßende Kunststoffscheiben vorgesehen sind, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser des Hüllrohrs, wobei die über das Hüllrohr auskragenden Abschnitte der Kunststoffscheiben zum Befestigen einer Haltevorrichtung des Solarkollektors dienen, und wobei zum Erzeugen eines Vakuums in dem das Speicherrohr umgebenden Hohlraum des Hüllrohrs während des Betriebs des Solarkollektors eine an einen Anschlußstutzen des Hüllrohrs anschließbare Vakuumpumpe vorgesehen ist.

Der erfindungsgemäße Solarkollektor zeichnet sich durch hohe Wirkungsgrade auch bei hohen Temperaturdifferenzen zur Umgebung aus. Dies ermöglicht auch eine Verwendung des Solarkollektors zu Heizzwecken.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der erfindungsgemäße Solarkollektor verbindet die Vorteile von Vakuumkollektoren, Speicher­ kollektoren und Flachkollektoren:

Geringe Verluste wie bei Vakuumkollektoren:

• - Die Wärmeverluste durch Konvektion der Luft werden durch einen Unterdruck < 10 hPa wirksam verhindert. Es sind nur noch Wärmeverluste am Absorber durch Wärmeleitung der Luft im Zwischenraum und der Wasserrohre, sowie Verluste durch Strahlung am Absorberrohr vorhanden.
• - Wie erwähnt, benötigt das Hüllrohr keine Abstützungen zur Aufnahme der entstehenden Druckkräfte. Die Leitungswärmeverluste sind hierdurch wesentlich geringer als bei evakuierten Flachkollektoren.
• - Durch die Geometrie des Rohrquerschnitts wird ein großes Verhältnis Volumen zu Oberfläche erzielt.
• - Durch die selektive Beschichtung des Absorberrohres können die Strahlungsverluste um ca. 90% gegenüber einfachen Flachkollektoren verringert werden.

Höhere Transmissionswerte als alle gängigen Kollektoren zur Erzeugung hoher Temperaturen:

• - Durch die Verwendung von PMMA als Hüllrohrmaterial kann eine Transmission im sichtbaren Bereich von <90% erreicht werden.

Einfache Fertigung:

• - Der Kollektor kann ohne aufwendige Herstellungsverfahren,wie sie zur Herstellung der Vakuumröhren benötigt werden, hergestellt werden.
• - Der Kollektor benötigt keine teure transparente Wärmedämmung.
• - Alle Komponenten des Kollektors sind aus marktüblichen Materialien mit günstigen Preisen herstellbar.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch und in seitlicher Durchsichtsdarstellung den Aufbau eines erfin­ dungsgemäßen Speicherrohrs.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch ein erfindungsge­ mäßes Hüllrohr.

Der erfindungsgemäße Solarkollektor besteht im wesentlichen aus einem Speicherrohr, einem um das Speicherrohr herum angeordneten Hüllrohr und einer Vakuumpumpe.

Fig. 1 zeigt schematisch und in seitlicher Durchsichtsdarstellung ein erfindungsgemäßes Speicherrohr 1 mit einem in der Zeichnung rechtsliegend angebrachten Kaltwasserzuflußstutzen 6′ und einem linksliegend angebrachten Warmwasserabflußstutzen 7′, die beide exzentrisch angeordnet sind. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung der Stutzen 6′, 7′ ist ein Verdrehen des Speicherrohres 1 im Hüllrohr 2 (vgl. Fig. 2) nicht möglich. Auf den Stutzen 6′, 7′ sind darüber hinaus am Speicherrohr 1 anliegende Distanzscheiben 8 befestigt, um einen Minimal­ abstand der Stirnflächen des Hüllrohres 2 und des Speicherrohres 1 zu gewährleisten.

Das Speicherrohr 1 besteht vorteilhafterweise aus Edelstahl und ist zur Verringerung der Strahlungsverluste mit einer selektiven Beschichtung versehen.

Oberhalb des Warmwasserabflußstutzen 7′ ist in der Stirnfläche des Speicherrohres 1 ein Tauchrohr 9 befestigt, das der Aufnahme eines Thermoelements zur Messung der Wassertem­ peratur dient. Das Befestigen des Tauchrohres 9 als auch der vorstehend beschriebenen Distanzscheiben 8 kann beispielsweise mittels Verschweißen erfolgen.

Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Hüllrohr 2, in welches das in Fig. 1 dargestellte und vorstehend beschriebene Speicherrohr 1 eingebracht wird. Zur besseren Anschaulichkeit ist das Hüllrohr 2 jedoch ohne Speicherrohr 1 dargestellt.

Das Hüllrohr 2 besteht aus transparentem Kunststoff, insbesondere PMMA, und weist als Stirn­ flächen zwei Kunststoffscheiben 3, 4 auf, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser des Hüllrohres 2. An den Kunststoffscheiben 3, 4 sind ein Kaltwasserzuflußstutzen 6 und Warmwas­ serabflußstutzen 7 angebracht, die entsprechend den Stutzen 6′, 7′ des Speicherrohres 1 (vgl. Fig. 1) exzentrisch angeordnet sind. An den überstehenden Abschnitten der Kunststoffscheiben 3, 4 sowie an den exzentrisch angeordneten Stutzen 6, 7 wird eine (nicht näher dargestellte) Halterung für den Solarkollektor befestigt.

Die in der Zeichnung rechts liegende Kunststoffscheibe 3 ist fest mit dem Hüllrohr 2 verbunden, indem sie mit diesem verschweißt ist. Die in der Zeichnung links liegende Kunststoffscheibe ist lösbar mit dem Hüllrohr 2 verbunden, beispielsweise mittels Schrauben. Dazu ist an dem linken Hüllrohrende eine Kreisringscheibe thermisch aufgeschweißt. Die Kreisringfläche erhält bei der Montage eine Dichtung. Die Stutzen 6, 7 zum Durchführen der Wasserleitungen sind als kurze, aufgeschweißte Rohrstücke ausgeführt. Diese dienen zur Aufnahme von Dichtungen und Stütz­ elementen für das Speicherrohr 1. Die Dichtungen sind marktübliche und austauschbare Gummi­ dichtringe mit Verstärkungselementen. Die Bewegung aufgrund thermischer Dehnung ist bei der Auswahl der Dichtungen zu berücksichtigen. Kabeldurchführungen werden abdichtend verklebt. Des weiteren ist ein Anschlußstutzen 5 für eine Vakuumpumpe vorgesehen.

Als Vakuumpumpe kann eine kostengünstige Kolbenpumpe dienen, die mittels eines in dem das Speicherrohr 1 umgebenden Hohlraum des Hüllrohres 2 vorgesehenen Drucksensor gesteuert wird. Vor der Vakuumpumpe ist ein Rückschlagventil angebracht, um eine taktende Betriebs­ weise der Pumpe zu ermöglichen. Im Innenraum des Hüllrohres 2 wird ein Druck < 10⁴ Pascal eingestellt und gehalten.

Claims (4)

1. Solarkollektor mit einem innerhalb eines evakuierbaren trans­ parenten Hüllrohrs angeordneten kombinierten Absorber- und Spei­ cherrohr mit selektiver Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (2) aus transparentem Kunststoff, insbesondere PMMA, besteht, daß zwei die Enden des Hüllrohrs (2) beaufschla­ gende und dicht abschließende Kunststoffscheiben (3, 4) vorgese­ hen sind, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser des Hüllrohrs (2) , wobei die über das Hüllrohr (2) auskragenden Abschnitte der Kunststoffscheiben (3, 4) zum Befestigen einer Haltevorrichtung des Solarkollektors dienen, und daß zum Erzeu­ gen eines Vakuums in dem das Speicherrohr (1) umgebenden Hohl­ raum des Hüllrohrs (2) während des Betriebs des Solarkollektors eine an einen Anschlußstutzen (5) des Hüllrohrs (2) anschließ­ bare Vakuumpumpe vorgesehen ist.

2. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Kunststoffscheiben (4) vom Hüllrohr (2) lösbar ist.

3. Solarkollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltwasserzuflußstutzen (6, 6′) und die Warmwasserabfluß­ stutzen (7, 7′) am Speicherrohr (1) und am Hüllrohr (2) exzen­ trisch angeordnet sind.

4. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die mittels eines in dem das Speicherrohr (1) umgebenden Hohlraum des Hüllrohrs (2) vorgesehenen Drucksensors gesteuerte Vakuumpumpe in dem Hohlraum des Hüllrohrs (2) Drücke kleiner als 10 hPa einstellt.