DE4430106A1

DE4430106A1 - Sonnenflachkollektor

Info

Publication number: DE4430106A1
Application number: DE4430106A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Spirkl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-08-25
Filing date: 1994-08-25
Publication date: 1996-02-29

Description

Fortgeschrittene Sonnenkollektoren erlauben es, aus unkonzentrierter (bzw. mäßig konzentrierter) Son nenstrahlung Wärme bei relativ hohen Temperatu ren und guten Ausbeuten zu gewinnen. Die folgen den Konzepte sind als Stand der Technik bekannt:
Mit Vakuumröhrenkollektoren können hohe Tempe raturen erreicht werden. Die Herstellung jedoch ist teuer.

Flachkollektoren lassen sich preisgünstig in Serie herstellen. Zur Kompensation des Atmosphären druckes müssen die (ebene) transparente Ab deckung und die Rückseite durch Stützelemente in Abstand voneinander und insbesondere in Ab stand von den Absorberelementen gehalten wer den. In geeignetem Abstand angebrachte Stütz stifte können dazu verwendet werden. Die Stütz stifte stellen jedoch eine erhebliche Beeinträchti gung des Kollektors dar. Fertigungstoleranzen, die thermische Ausdehnung des im Vergleich zu den kalten Gehäusewänden heißen Absorbers, und die Wärmeleitverluste zwischen Absorber und Stütz stiften zwingen dazu, einen erheblichen Anteil der Absorberfläche für die Stützstifte auszusparen.

Ein weiteres Konzept ist die Verwendung der Absor berrückseite als solare Apertur und ist in der US- PS 4148299 beschrieben.

Es sind auch Konzepte mit belüfteten Kollekto ren bekannt; diese sind wegen der resultierenden Wärmeverluste nicht für hohe Temperaturen ge eignet. In der Arbeit A. Götzberger, J. Dengler M. Rommel, and V. Witwer, The bifacial absorber collector, In Proceedings of the ISES Solar World Congress, Denver, Pergamon Press, 1991 und in DE 39 08 363 ist ein belüfteter Kollektor mit trans parenter Wärmedämmung um den Absorber her um beschrieben. Dieser besteht aus Röhren mit großem Umfang und ist daher teuer in Herstellung und Montage; die transparente Wärmedämmung ist anfällig gegen Übertemperaturen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen evakuierten Sonnenflachkollektor anzugeben, der ei ne Abstützung der transparenten Fläche ohne Be einträchtigung des Wirkungsgrades ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhaf te Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen be schrieben. Der Vorteile der Erfindung werden ins besondere darin gesehen, daß hohe Wirkungsgrad de bei hohen Arbeitstemperaturen durch preiswer te Flachkollektoren realisiert werden. Dies wird da durch erreicht, daß durch die Evakuierung Kon vektionsunterdrückung, geringe Wärmeleitung und günstige Lebenserwartung für selektive Schichten erreicht wird, daß für die Plazierung der Stützele mente genügend Raum zur Verfügung steht, daß der Abstand zwischen dem Absorber und den Stützele menten groß genug ist, die Wärmeverluste durch das Restgas über die Stützelemente gering zu halten, und daß durch die Stützelemente nur geringe Ein bußen an absorbierender Fläche entstehen.

Der Kollektor nach Anspruch 2 ist vorteilhaft, da die Rückseite der Absorberflächen wie die Vor derseite zur Strahlungsabsorption genutzt wird, es entfällt also die zusätzliche Wärmeisolation zur Rückseite.

Die Stützelemente nach Anspruch 3 können beson ders einfach hergestellt werden.

Der Kollektor nach Anspruch 4 nutzt die im ganzen Halbraum einfallende Sonnenstrahlung.

Der Kollektor nach Ansprüchen 5 bzw. 6 bewirkt einachsige Konzentration der Sonnenstrahlung.

Die Ansprüche 7 und 8 sind mit weiteren konstruk tiven Vereinfachungen verbunden.

Der Absorber nach Anspruch 9 kann besonders ein fach ausgeführt werden; die Ausführung wird später anhand von Abb. 3 und Abb. 4 erläutert.

Der Unterdruck im Kollektor nach Anspruch 10 läßt sich besonders einfach aufrechterhalten.

Die Wärmeleitungsverluste durch das Restgas können im Kollektor nach Anspruch 11 noch wei ter verringert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der bei gefügten Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt Abb. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführung der Er findung; Abb. 2 eine perspektivische Ansicht der Ausführung gemäß Abb. 1, Abb. 3 einen Schnitt durch eine zweite Ausführung der Erfindung; Abb. 4 eine perspektivische Ansicht der Ausführung gemäß Abb. 3.

Für den Kollektor nach Anspruch 2 werden als Ab sorber mehrere gleiche rechteckige Streifen gewählt, die in Längsrichtung von einem Wärmeabfuhrmittel (z. B. Flüssigkeit, Dampf) parallel durchströmt wer den; siehe Abb. 1 und Abb. 2. Sonnenstrahlung fällt von oben durch die transparente Abdeckung (1) ein. Die Absorber (3a) absorbieren Sonnenstrahlung di rekt an der Oberfläche. Die Reflektoren (2a) spie geln die in den Aussparungen (5a) zwischen den Ab sorberflächen einfallende Sonnenstrahlung auf die Rückseite der Absorberelemente. Als Stützelemen te (4a) können z. B. transparente oder reflektierende Stege parallel zu den Absorbern, die nur zur Einlei tung (6) und Ausleitung (7) des Absorberkühlmit tels durchbrochen sind, oder Stützstifte verwendet werden. Wesentlich ist, daß der Abstand zwischen den kalten Stützelementen und dem heißen Absor ber so groß ist, daß er in der Größenordnung anderer Abstände zwischen Absorber und Gehäuse liegt.

Der Abstand zwischen der Absorberunterseite und der Reflektorspitze muß hinreichend groß sein. Z.B. kann der Absorber mit zylindrischer Krümmung versehen sein, wie in Abb. 1 und Abb. 2 angedeu tet. Wenn der halbe Öffnungswinkel dieses Zylin dersegments mit α bezeichnet wird, so läßt sich dadurch ein Abstand d schaffen zu: d/a =(1- cos(α))/(2 sin(α)), wobei a die Absorberbreite (oh ne Krümmung) ist. Die abstrahlende Fläche wird dabei um den Faktor f = α/ sin(α) vergrößert. Aus reichende Werte für d können mit Werten von f nahe 1 verbunden werden, z. B. ist für α=30° d/a=0.13 und f=1.05, für α=45° d/a=0.21 und f= 1.11. Alternativ oder begleitend kann auch die Reflektorspitze weniger hoch ausgeführt sein, was zu einem leichten Verlust an absorbierter Strahlung führt.

Spektrale Selektivität kann (a) beim Absorber und (b) bei der Abdeckung, oder in Kombination reali siert werden. Im Fall (a) ist die wirksame Emissi vität durch den Absorber gegeben. Im Fall (b), mit schwarzem Absorber der Emissivität Eins, müssen sowohl die Abdeckung als auch die Reflektoren gut im Bereich der Wärmestrahlung reflektieren. In die sem Fall ist die wirksame Emissivität ε gegeben durch ε = ₍₁₎ + ((n₁ + n₂)/2)₍₂₎. Dabei sind ₍₁₎ gleich Eins minus der Reflektivität der Abdeckung, ₍₂₎ gleich Eins minus der Reflektivität der Reflekto ren, und n₁ und n₂ die mittlere Anzahl der benötig ten Reflexionen von (2) zu (1) bzw. zurück.

In Abb. 3 und Abb. 4 ist dargestellt, daß nach Anspruch 9 eine Absorberplatine mit verhält nismäßig großen (z. B. kreisförmigen) Aussparungen für Stützstifte versehen ist, und die auf die aus gesparte Fläche auftreffende Solarstrahlung durch Reflexion auf die Absorberunterseite geleitet wird. In Abb. 4 sind die vorderen Stützstifte ebenfalls im Querschnitt dargestellt. Der Absorber (3b) ist um die Stützstifte (4b) herum ausgespart. In die sen Freiraum einfallende Solarstrahlung wird durch die konzentrisch um die Stützstifte angeordneten Reflektoren (2b) auf die Absorberunterseite gespie gelt, analog zur Ausführung mit parallelen Absor berflächen. Die Reflektoren können auch zum Ab sorber hin gekrümmt sein. Die Stützstifte können z. B. metallisch ausgeführt werden.

Durch die großen Abstände zwischen den heißen und kalten Kollektorteilen sind die Ansprüche an das Vakuum vergleichsweise gering. Füllung mit wärmedämmenden Gasen wie z. B. Argon oder Krypton führt zu einer weiteren Reduktion der Wärmeverluste.

Claims

1. Sonnenflachkollektor mit einem evakuiertem Gehäuse, das zumindest an einer Seite trans parent für Strahlung ist, und mit einem im Inneren angeordneten Absorber, dadurch ge kennzeichnet, daß der Absorber (3) mindestens eine Aussparung (5) aufweist, durch die min destens ein Stützelement (4) zur Abstützung gegenüberliegender Gehäusewände geführt ist, und daß die der transparenten Seite gegenüber liegende Gehäuseseite (2) mindestens im Be reich der mindestens einen Aussparung reflek tierend ausgebildet ist.

2. Sonnenflachkollektor nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der Absorber (3) aus mehreren parallelen, länglichen Absorber elementen besteht.

3. Sonnenflachkollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Stützelement (4) stegförmig ausgebildet ist, und daß der Steg transparent oder reflek tierend ausgeführt ist.

4. Sonnenflachkollektor nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß die Flächen der Absorberelemente (3a) und der Aussparungen gleich sind.

5. Sonnenflachkollektor nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß die Flächen der Ab sorberelemente (3a) kleiner als die Flächen der Aussparungen sind.

6. Sonnenflachkollektor nach Anspruch 5, da durch gekennzeichnet, daß die Flächen der Aus sparungen zwei bis vier mal so groß wie die Flächen der Absorberelemente (3a) sind.

7. Sonnenflachkollektor nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor die untere Gehäusewand bil det.

8. Sonnenflachkollektor nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Steg und der Reflektor ein Werkstück sind.

9. Sonnenflachkollektor nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der Absorber (3) mehrere Löcher (5) aufweist, und die Stützele mente stabartig ausgeführt sind.

10. Sonnenflachkollektor nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Restgasdruck im Kollektor 0 bis 10³ Pa beträgt.

11. Sonnenflachkollektor nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser wärmedämmendes Gas enthält.