NL1021429C2 - Inrichting annex werkwijze ter beperking van het koelvloeistof volume terzake van dubbelwandige vacuümbuis-zonnecollectoren. - Google Patents

Description

Inrichting annex werkwijze ter beperking van het koelvloeistof volume terzake van dubbelwandige vacuümbuis-zonnecollectoren.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting/werkwijze voor 5 het efficiënt invangen en benutten van zonne-energie op basis van een tweetal althans nagenoeg concentrische cilindervormige glazen' buizen met aan overeenkomstige zijde een integrale onderling niet aanliggende bodem alsmede ten minste één positionerings- annex ondersteunend element het geheel zodanig gesitueerd dat thermische 10 expansie van de binnenbuis vrijelijk plaats kan vinden en voorts aan de van deze bodems afgekeerde zijde onderling hermetisch zijn versmolten aldus resulterend in een enkelzijdig-open binnenbuis in grote lijnen vergelijkbaar met een langgerekte dubbele U-vorm.

De geringe ruimte tussen beide buizen is hoog-vacuüm getrokken 15 waardoor zowel convectie alsook conductie zijn geëlimineerd. Voorts zijn specifieke zogenoemde molecuulbinders aangebracht teneinde het initiële vacuümniveau ook op zeer lange termijn te waarborgen. Warmteverlies ten gevolge van infrarood-emissie wordt in hoge mate beperkt door de rondom op de buitenwand van de binnenbuis aanwezige 20 spectraal-selectieve zwarte absorptiecoating.

Voor de transparante buitenbuis wordt bij voorkeur ijzervrij glas toegepast eventueel aangevuld met een anti-reflectie behandeling.

De afzonderlijke collectorbuizen worden samengevoegd tot modules met dien verstande dat de onderlinge zijdelingse afstand zodanig 25 wordt ingesteld dat de tussen de buizen door vallende zonnestralen via een externe reflector indirect worden benut waarbij wordt opgemerkt dat de mate waarin dit plaats heeft zowel afhangt van de desbetreffende stralingsvorm (direct en/of diffuus) alsmede van de positionering, kwaliteit en uitvoeringsvorm van de reflector.

30 Belangrijk pluspunt van deze categorie vacuümbuis-collectoren is het ontbreken van een hermetische glas/metaal verbinding welke bij enkelglas-versies onontkoombaar is.

Een dergelijke inrichting is bekend uit onder meer diverse 35 publicaties in de vakliteratuur (bijv. ISES-Congress Papers 1975) en wordt inmiddels grootschalig gefabriceerd waarbij onderscheidt 1021429 2 wordt gemaakt tussen de wijze waarop warmte-afvoer plaats vindt.

Bij de eenvoudigste uitvoering is de binnenbuis geheel gevuld met een vloeibaar koelmedium (bijv. water); alhoewel uit opgpunt van kosteneffectiviteit aantrekkelijk vormt -naast de factor 5 gewicht- de inherent hoge thermische capaciteit van het volume koelvloeistof een belangrijk nadeel aangezien dit een langzame opwarming impliceert met een navenant relatief forse reductie van het collector-rendement.

Bovendien vereist dit concept een bepaalde minimale opstellings-10 hoek teneinde een natuurlijke circulatie (thermosyphon-effect) te kunnen genereren.

Een bekende methode om deze nadelen te ondervangen bestaat uit het lineair in genoemde binnenbuis plaatsen van ten minste één metalen buisje met daarmee in hecht thermisch contact een 15 dunne flexibele (half)ronde metaalfolie welke althans nagenoeg aanligt tegen de binnenwand van de binnenste glasbuis en aldus voorziet in resp. warmte-extractie annex transport naar genoemd ! met een geringe hoeveelheid koelmedium gevuld buisje hetwelk ófwel enkelvoudig (bijv. als gedeelde buis, warmtepijp, U-vormig 20 gebogen) ófwel meervoudig (bijv. twee co-axiale buisjes) kan zijn uitgevoerd. Qua prijsstelling scoort deze versie beduidend slechter terwijl daarnaast de warmte-overdracht naar de metalen vin(nen) op sommige locaties sub-optimaal is tengevolge van aan standaard glasbuizen inherente maat/vormtoleranties resulterend 25 in ongewenste luchtinsluitingen.

De uitvinding beoogt een inrichting/werkwijze te verschaffen welke van voornoemde nadelen is gevrijwaard.

Daartoe is onderhavige uitvinding gekenmerkt door een zich lineair 30 in de binnenbuis bevindend vullichaam met lage warmte-capaciteit (hier een dunwandige gesloten glasbuis roet een slechts iets kleinere diameter dan de binnenbuis) waarbij afstandhouders zorg dragen voor zowel ondersteuning/fixatie alsook positionering.

In de resterende nauwe cilindrische tussenruimte circuleert al 35 dan niet geforceerd een geringe hoeveelheid koelmedium (hier een vloeistof) met een bij voorkeur turbulent stromingspatroon.

3

De aldus in vergelijking met eerder genoemde "water-in-glas" vacuüm-buiscollector geëffectueerde substantiële reductie van het volume koelvloeistof leidt tot gemiddeld korte verblijftijden en een snelle respons ten aanzien van soms sterk fluctuerende 5 zon-instralingsniveaus. In samenhang met de directe koeling van de binnenbuis resulteert dit in aanmerkelijk geringere thermische verliezen en een inherent hogere collector-opbrengst.

De uitvinding zal hieronder in algemene zin nader worden 10 uiteengezet aan de hand van enkele in de figuren weergegeven uitvoeringsvoorbeelden van de inrichting/werkwijze volgens onderhavige uitvinding, waarbij wordt opgemerkt dat ter wille van de overzichtelijkheid bepaalde onderdelen zijn weggelaten; voorts wordt erop gewezen dat ten tijde van de indieningsdatum genoemde 15 figuren handmatig zijn geschetst en aldus hier en daar geringe deviaties in symmetrie, maatvoering en lijndikte laten zien.

I Fig. 1 toont schematisch het basisprincipe van de inrichting/ | werkwijze volgens de uitvinding waarbij terzake van dit voorbeeld is uitgegaan van reeds geproduceerde standaard dubbelwandige 20 concentrische vacuüm-buiscollectoren waaraan eerder genoemd vullichaam met aanverwante onderdelen is toegevoegd.

De transparante buitenbuis 1 is enkelzijdig versmolten met de overeenkomstige zijde van de van eerder genoemde selectieve laag voorziene binnenbuis 2; tevens zijn beide glasbuizen aan hiervan 25 afgekeerde zijde uitgevoerd met een onderling niet-aanliggende bodem. De resterende tussenruimte 5 is vergaand gevacumeerd. Essentieel voor de inrichting volgens de uitvinding is een in binnenbuis 2 geplaatst (nagenoeg)buisvormig vullichaam 3 zodanig dat tussen beide objecten een nauwe ruimte 4 resteert waardoor 30 een koelmedium stroomt.

Hierbij wordt opgemerkt dat ingeval van een vloeibaar koelmedium fixatie van vullichaam 3 cruciaal is teneinde de neiging tot drijfgedrag te onderdrukken welke zich met name manifesteert bij hoekopstellingen van de collector aangezien de aanwezige 35 opwaartse druk zich in dat geval zal concentreren in de richting van de (neerwaarts-wijzende) vullichaambodem 11b.

1 'i ‘' · 1" ‘4 4

Een in dit verband potentieel interessante optie is voorts de integratie van vullichaam 3 met het huidige fabricageproces van voornoemde dubbelwandige concentrische vacuüm-buiscollectoren op zodanige wijze dat hierbij bodem 11b achterwege wordt gelaten en 5 het desbetreffende open uiteinde van vullichaam 3 rechtstreeks met binnenhuisbodem 10 wordt versmolten; ingeval van verticale opstelling van de collector wordt aldus voornoemd opdrijf-aspect van vullichaam 3 geheel omzeild.

Overigens kan een vergelijkbaar resultaat worden bewerkstelligd 10 door de ruimte onder bodem 11b vloeistofdicht op te vullen.

Figuren la tot en met lc tonen eveneens in algemene zin een schematische dwarsdoorsnede van een drietal uitvoeringsvoorbeelden van de inrichting/werkwijze volgens de uitvinding terzake van 15 een tot stand te brengen (geforceerd)circulatie-patroon van het (vloeibare)koelmedium; eventuele natuurlijke stroming op basis van het thermosyphon-effect is hierbij buiten beschouwing gelaten.

Bij fig. la is daartoe tussenruimte 4 opgedeeld in ten minste twee al dan niet symmetrische helften m.b.v. afdichtmiddel 6 bijv. 20 bestaand uit dunne, op het als glasbuis uitgevoerd vullichaam 3 bevestigde (cel)rubberstrips c.q. slangetjes welke bij voorkeur zijn ingeklemd en eventueel aanvullend verlijmd in daartoe in de glaswand aangebrachte smalle, ondiepe (lineaire)sleuven.

Ter hoogte van bodem 11b is in genoemde afdichting een uitsparing 25 gelaten teneinde een aan/afvoerstroom te kunnen creëren.

Een alternatieve werkwijze wordt weergegeven in fig. lb. Hierbij zijn afdichtingen 6 vervangen door een extra al dan niet centrisch lineair in vullichaam 3 gepositioneerd (glas)buisje 7 (niet in fig. 1 geschetst) hetwelk bodem 11b alsmede de eventueel 30 aanwezige bodem 11a lekdicht doorboort.

Figuur lc kan worden gezien als een mogelijke variant van fig. lb. Voornoemd buisje 7 is hierbij ingebed in een min of meer willekeurig gekozen insnoering 8 in vullichaam 3 en fungeert eveneens al naar gelang de aansluitkoppeling als toe/afvoerpijpje. 35 Noodzakelijke penetratie van genoemde bodem(s) is derhalve bij deze versie niet langer aan de orde; dit geldt tevens voor een 1 ί .

5 concept waarbij in tussenruimte 4 lineair danwel spiraalsgewijs minste ccn dun, flexibel en soepel slangetje wordt geplaatst dat zich aldus deformeert en voegt naar de contouren van zowel binnenbuis 2 alsook buisvormig vullichaam 3 met dien verstande 5 dat doorstroming met een koelmedium gewaarborgd blijft; de uit te oefenen inwendige (vloeistof)druk zorgt hierbij voor een verende (zelf)klemmende afdichtfunctie als bedoeld in fig. la.

Bij een dergelijke uitvoeringsvorm kan buisje 7 vervallen.

De uitvinding omvat tevens een inrichting/werkwijze waarbij 10 bodems 10 en 9 achterwege zijn gelaten en beide desbetreffende (extra lange)glasbuizen onderling dubbelzijdig zijn versmolten, gevacumeerd en voorzien van (gas)molecuulbinders. Vullichaam 3 kan aldus direct van de ene naar de andere zijde worden amspoeld met een koelmedium zonder bovengenoemde nadere hulpmiddelen.

15 Overigens is in principe dok een minder star vullichaam 3 denkbaar bijv. op basis van een tot een dunne gesloten cilinder gedeformeerde slijt- en corrosievaste (metaal)folie bij voorkeur voorzien van een tweetal al dan niet symmetrische, geïntegreerde lineaire, intrinsiek verend-afdichtende smalle uitstulpingen.

20 Alhoewel in strikte zin niet noodzakelijk kan desalniettemin de in vullichaam 3 aanwezige lucht worden vervangen door een gas danwel gasmengsel met een geringere warmtegeleidings-coëfficiënt al dan niet in combinatie met vacumeren; eventueel is voorts ook een (gedeeltelijke)vulling met een convectie-onderdrukkende stof 25 (bijv. minerale wol) een al dan niet supplementaire optie.

Terzake van de beoogde turbulente vloeistofstroom in ruimte 4 kan vullichaam 3 eventueel worden voorzien van een gestructureerd (integraal)oppervlak óf -als alternatief- bijv. in een schroeflijn worden omwikkeld met dunne, niet-krassende (getwiste)draad.

30 Ten tijde van de indieningsdatum van onderhavige uitvinding nog te verrichten empirisch onderzoek alsmede nadere berekeningen zullen moeten uitwijzen welk van in het voorafgaande beschreven concepten resulteert in een optimale collector-opbrengst; in dit verband wordt opgemerkt dat gehanteerde maatvoering en vormgeving 35 vooralsnog als deels indicatief kunnen worden beschouwd.

Tot slot wordt opgemerkt dat onderhavige uitvinding eventueel kan worden doorontwikkelt tot PV/Th combi-collector.

102142»

Claims (18)

1 G?i ♦

1. Inrichting voor het benutten van zonne-energie, uitgaande van een dubbelwandige (concentrische) gevacuxneerde buiscollector 5 op basis van het thermosfles-principe, voorzien van middelen ter beperking van het volume koelvloeistof, gekenmerkt door een in de desbetreffende binnenbuis(=absorberbuis) gepositioneerd- en deze bijna geheel omvattend (hol)vullichaam met lage warmtecapaciteit.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het 10 vullichaam bij voorkeur is uitgevoerd als dunwandige- al dan niet tweezijdig middels (integrale)bodems afgesloten glasbuis met een slechts iets kleinere diameter dan genoemde binnenbuis.

3. Inrichting volgens conclusies 1 en 2, met het kenmerk, dat de reeterende nauwe merendeels cilindrische ruimte (nagenoeg)geheel 15 is gevuld met een relatief zeer geringe hoeveelheid koelmedium.

4. Inrichting volgens conclusies 1-3, met het kenmerk, dat in afwijking van het niet-kenmerkende gedeelte van conclusie 1 genoemd vullichaam in principe tevens toepasbaar is bij de categorie vacuüm buiscollectoren waarbij de absorberbuis een substantieel kleinere 20 doorsnede heeft dan de eveneens glazen omhullingsbuis en hierbij excentrisch in het onderste deel van laatstgenoemde is geplaatst in samenhang met een al dan niet integraal in/ορ de buitenste buis aangébrachte (semi-cilindrische)reflector c.q. spiegelcoating. Het bij dit type zonnecollector toch reeds geringe koelvloeistof-25 volume kan aldus nog verder worden gereduceerd.

5. Inrichting volgens conclusies 1 - 4, met het kenmerk, dat aan het vullichaam middelen zijn toegevoegd danwel geïntegreerd om een geforceerd stromingspatroon van het koelmedium tot stand te kunnen brengen i.p.v. natuurlijke circulatie(thermosyphon).

6. Inrichting volgens voorgaande conclusie 5, met het kenmerk, dat hierbij sprake is van ófwel afdichtmiddelen teneinde de ruimte tussen binnenbuis enerzijds en vullichaam anderzijds axiaal onder te verdelen in bijv. een tweetal segmenten ófwel middelen in de vorm van een in deze ruimte te plaatsen flexibel slangetje met 35 zowel een afdicht- alsook een aan/afvoerfunctie van het koelmedium.

7. Inrichting volgens voorgaande conclusie 5, gekenmerkt door een lineair gepositioneerd additioneel (glas)buisj e voor aan- of afvoer van het koelmedium.

8. Inrichting volgens voorgaande conclusie 7, met het kenmerk, 5 dat dit buisje in het vullichaam is geplaatst en deze op enigerlei wijze op ten minste één locatie lekdicht doorboort.

9. Inrichting volgens voorgaande conclusie 7, met het kenmerk, dat dit buisje in een daartoe vooraf extern in de vullichaamwand aangebrachte integrale insnoering is gesitueerd zodat penetratie 10 van de desbetreffende (glas)wand achterwege kan blijven.

10. Inrichting volgens conclusies 1-4, met het kenmerk, dat in afwijking van de niet-kenmerkende sectie van conclusie 1, het dewar-principe deels is losgelaten door het niet aanbrengen van genoemde bodems doch in plaats daarvan de resp. glazen absorber- 15 buis en de omhullingsbuis onderling dubbelzijdig te versmelten alsmede te vacumeren in samenhang met inwendig toe te voegen I zogeheten (gas)molecuulbinders; door hierbij gebruik te maken | van extra/ultra lange glasbuizen wordt de terzake inherente toename van warmteverlies door vastestof-conductie acceptabel, 20 met name vanwege de zeer geringe warmtegeleiding van (dun)glas.

11. Werkwijze voor het substantieel reduceren van het volume > koelvloeistof in tot modules samengevoegde gevacumeerde duo-buis zonnecollectoren, gekenmerkt door een in de betrokken binnenbuis geplaatst en ten minste enkelzijdig hermetisch afgesloten (hol) 25 -bij voorkeur glazen- vullichaam met geringe warmte-capaciteit, zodanig dat tussen beide objecten een minieme ruimte resteert voor een toe te voegen koelmedium.

12. Werkwijze volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat ter realisatie van een eventueel geforceerde koelvloeistof-stroming 30 middelen daartoe zijn voorzien bijv. in de vorm van een extra (glas)buisje voor aan- of afvoer van een koelmiddel.

13. Werkwijze volgens voorgaande conclusie, met het kenmerk, dat dit lange, dunne buisje (lineair) in het vullichaam wordt geplaatst en deze op ten minste één plek lekdicht doorboort.

14. Werkwijze volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat dit buisje zich buiten het terzake gedeformeerde vullichaam bevindt waardoor penetratie van laatstgenoemde wordt vermeden.

15. Werkwijze volgens een of meerdere conclusies 11-14, met 5 het kenmerk, dat de desbetreffende uit te voeren handelingen worden toegepast bij reeds bestaande genoemde (concentrische) vacuümbuis-zonnecollectoren.

16. Werkwijze volgens een of meerdere conclusies 11-14, met het kenmerk, dat de desbetreffende uit te voeren handelingen 10 worden geïntegreerd met het huidige, waar nodig enigszins gemodificeerde productieproces van genoemde (concentrische) vacuümbuis-zonnecollectoren.

17. Werkwijze ten behoeve van conclusie 10, gekenmerkt door een tweetal extra/ultra lange concentrische, aan de uiteinden 15 onderling hermetisch versmolten en aansluitend gevacumeerde glasbuizen met dien verstande dat de binnenste buis voorzien is van een spectraal-selectieve absorptiecoating en de hier omheen gepositioneerde omhullingsbuis (hoog)transparant is uitgevoerd.

18. Werkwijze volgens conclusie 17, met het kenmerk, dat de aldus tot stand gebrachte duo-glasbuizen ter beperking van de benodigde aansluitkoppelingen aan een of beide kopse zijde (n) onderling worden doorgeschakeld en tot modules samengevoegd. ! .. :