NL1029168C2

NL1029168C2 - Zonnecollector met geïntegreerde warmteopslag II.

Info

Publication number: NL1029168C2
Application number: NL1029168A
Authority: NL
Inventors: Antonius Bernardus Schaap
Original assignee: Econcern B V
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2006-12-05
Also published as: ZA200710059B; PT1888980E; EP1888980B1; RU2007149510A; WO2006130006A1; ATE405802T1; ES2310916T3; DE602006002394D1; EP1888980A1; CN101184962A; IL187763A0; AU2006253150A1; BRPI0611137A2; US20090314281A1; KR20080014810A; JP2008542681A; MX2007014743A

Description

Zonnecollector met geïntegreerde warmteopslag II

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een zonnecollec-I tor met geïntegreerde warmteopslag,. welke zonnecollector een behui- 5 zing omvat welke een bodemplaat en een transparante afdekplaat omvat, waarbij in de behuizing tussen een evolvente spiegel en de transparante afdekplaat een voorraadvat voor opslag van water is aangebracht en waarbij het voorraadvat is voorzien van een lichtstraling absorberende vin.

10 Een dergelijke zonnecollector, ook wel aangeduid met ICS (In- tegrated Collector Storage), is in het vak bekend, bijvoorbeeld uit EP0743495. Een dergelijke zonnecollector omvat een behuizing met een langwerpige vorm, waarin zich een langwerpig voorraadvat bevindt. Dat voorraadvat is ingericht om zonnewarmte te absorberen. Voor het ver-15 groten van de opbrengst is onder het voorraadvat een naar de transparante afdekplaat gekeerde evolvente spiegel geplaatst, waarmee het voorraadvat ook vanaf de onderzijde lichtstraling kan ontvangen en absorberen. De bekende zonnecollector bezit tevens over de lengte van het voorraadvat aan de naar de spiegel gekeerde zijde en aan beide 20 uiteinden een vin voor het verhogen van de opbrengst. Met een dergelijke zonnecollector kan water in het voorraadvat worden opgewarmd, dat vervolgens voor uiteenlopende doeleinden, meestal huishoudelijke doeleinden wordt gebruikt. Hierbij kan in het bijzonder worden gedacht aan warm water voor baden, douchen, afwassen en dergelijke. De 25 vinnen aan de uiteinden van het voorraadvat van de in de praktijk gerealiseerde ICS volgens EP0743495 hadden een lengte van 6 cm. De hoogte van de vin die zich over de lengte van het voorraadvat aan de naar de evolvente spiegel gekeerde zijde uitstrekte was 5 cm. Het doel van de vinnen was het verhogen van de thermische opbrengst. Bij 30 metingen in de praktijk is verrassenderwijs gebleken dat de vinnen leiden tot verlies van warmte.

Het voorraadvat van een ICS moet in staat zijn hoge drukken, zoals deze op kunnen treden als gevolg van wisselende drukken in de waterleidingdruk, te weerstaan. Daarom heeft een dergelijk voorraad-35 vat bij voorkeur een minder langwerpige vorm. Echter, aangezien het lichtvangend oppervlak van de ICS, welk oppervlak wordt gevormd door het projectie-oppervlak van vat en evolvente spiegel tezamen, lineair groter wordt met de diameter van het voorraadvat, terwijl het volume

102916S

2 van het voorraadvat kwadratisch met de diameter toeneemt, wordt in de praktijk toch een sterk langgerekt voorraadvat gebruikt.

In overeenstemming hiermee is het een doel van de onderhavige uitvinding om het thermisch rendement van een zonnecollector met 5 geïntegreerde warmteopslag (ICS) te verhogen. Een verder doel is om een ICS te verschaffen waarvan de verhouding Rdi tussen diameter en lengte groter kan zijn dan die van een ICS volgens de stand van de techniek met vergelijkbare thermische opbrengst.

Hiertoe wordt de zonnecollector volgens de uitvinding geken-10 merkt doordat het voorraadvat een onderste uiteinde en een bovenste uiteinde heeft, en het onderste uiteinde nabij de omtrek van het voorraadvat is voorzien van een vinsysteem ingericht voor het overdragen van warmte op het voorraadvat, welk vinsysteem een lichtabsor-berende vin omvat met een lengtecomponent in de lengterichting van 15 het voorraadvat van ten minste 10 cm, en het vinsysteem zodanig is uitgevoerd dat, wanneer het vinsysteem vanaf een punt aan het onderste uiteinde van het voorraadvat dat op de hartlijn door het voorraadvat ligt op een buiten het vinsysteem gelegen virtuele eenheids-bol die dat punt als middelpunt heeft wordt geprojecteerd, het gepro-20 jecteerde (door het vinsysteem afgeschermde) oppervlak ten minste 25% van het oppervlak van de virtuele eenheidsbol beslaat.

Aldus wordt bereikt dat door het onderste uiteinde van het voorraadvat uitgezonden straling, of door het vinsysteem uitgezonden straling, met verhoogde kans al dan niet na verdere (al dan niet dif-25 fusie) weerkaatsing tegen de binnenzijde van het vinsysteem door het vinsysteem naar het onderste uiteinde van het voorraadvat wordt teruggekaatst. Ook kan de uitgezonden warmtestraling weer door het vinsysteem worden geabsorbeerd, hetgeen eveneens bijdraagt aan het verminderen van het verlies van warmte-energie uit de ICS. Het grotere 30 vinoppervlak, door de grotere lengte ervan in de lengterichting van het voorraadvat, maar eventueel ook vergroot door het kunnen toepas sen van een voorraadvat met een grotere straal, zorgt voor meer absorptie van lichtenergie, terwijl het vinsysteem tevens fungeert als stralingsscherm voor het voorkomen dat warmtestraling uit de ICS ont-35 snapt. De uitdrukking "25% van het oppervlak van een virtuele eenheidsbol" geeft aan dat wanneer vanaf het punt aan het onderste uit einde van het voorraadvat, welk punt op de hartlijn door het voorraadvat ligt, in alle richtingen lijnen zouden worden getrokken, 25% 1029168

_ J

3 I van die lijnen door het vinsysteem zou gaan. Het vinsysteem heeft i | bijvoorbeeld de vorm van een cilinder. De term "evolvent" duidt : strikt genomen op een wiskundig precies gedefinieerde kromme, maar omvat binnen het kader van de onderhavige uitvinding elke licht op 5 het voorraadvat werpende vorm, en bij voorkeur een concave vorm, met meer voorkeur een licht-concentrerende vorm. Een wiskundig evolvente I vorm geniet de meeste voorkeur.

i Bij voorkeur is de lengte van de lichtabsorberende vin in de lengterichting van het voorraadvat ten minste 15 cm, en met meer 10 voorkeur ten minste 20 cm.

Dit maakt het mogelijk meer licht in te vangen en de verhouding Rdl tussen de diameter en de lengte van het voorraadvat te vergroten, van 0,15 (praktijk van EP0743495) tot meer dan 0,25. Dit heeft indirect weer als voordeel dat het voorraadvat sterker zal zijn (beter 15 bestand tegen hoge drukken) en desgewenst voor gelijke sterkte lichter kan worden uitgevoerd, in welk geval een kostenbesparing wordt bereikt.

Volgens een belangrijke uitvoeringsvorm is het vinsysteem weg van het voorraadvat taps toelopend uitgevoerd.

20 Hiermee wordt een meer doelmatige afscherming van de onderzijde van het voorraadvat bereikt, hetgeen de warmteverliezen beperkt. Ook worden verliezen door (lucht)convectie beperkt.

Een voorkeursuitvoering wordt hierdoor gekenmerkt dat de vin van het vinsysteem aan de zijde van de transparante afdekplaat een 25 stompere hoek met de hartlijn maakt dan aan de zijde van de evolvente spiegel.

Dit heeft als voordeel dat het ontwerp van de evolvente spiegel relatief eenvoudig kan zijn, zonder dat dit leidt tot lichtverlies en daarmee opbrengstverlies. Deze uitvoeringsvorm omvat de mogelijkheid 30 dat aan de zijde van de evolvente spiegel ten minste een deel van het vinsysteem evenwijdig loopt met de hartlijn van het voorraadvat.

Een zeer interessante uitvoeringsvorm wordt hierdoor gekenmerkt dat het vinsysteem een warmte-transporterende leiding omvat die de lichtabsorberende vin met het voorraadvat verbindt.

35 Volgens een heel gunstige uitvoeringsvorm is dit een leiding met twee uiteinden welke beide in het voorraadvat uitmonden, waarbij de leiding in warmte-geleidend contact met de lichtinvangende vin is. Het eerste uiteinde van de leiding bevindt zich lager dan het tweede 1029168 4 uiteinde. Hierdoor ontstaat, bij verwarming van het water in de leiding door de lichtinvangende vin, in de leiding een stroming waarbij water vanuit een lager deel van het voorraadvat in de leiding wordt opgewarmd en via het tweede uiteinde van de leiding in het voorraad-5 vat terechtkomt. Dankzij deze efficiënte uitvoeringsvorm kan de verhouding Rai tussen de diameter en de lengte van het voorraadvat sterk worden vergroot, bijvoorbeeld van 0,15 (praktijk van EP0743495) tot 0,35 of hoger. Bij afwezigheid van zonnestraling stopt deze stroming, waardoor warmteverliezen beperkt blijven. Eventuele warmteverliezen 10 blijven ook beperkt door het vinsysteem volgens de uitvinding wanneer de warmtetransporterende leiding, zoals de leiding, zich binnen het vinsysteem bevindt.

Volgens een alternatieve uitvoeringsvorm is de warmtetransporterende leiding een heat-pipe.

15 Ook hiermee kan doelmatig warmte van het vinsysteem naar het voorraadvat worden getransporteerd, met dezelfde voordelen als hiervoor besproken voor de uitvoeringsvorm met een leiding.

Volgens een voorkeursuitvoering wordt ten minste 30% en met meer voorkeur ten minste 35% van het virtuele oppervlak van een een-20 heidsbol met het punt als middelpunt door het vinsysteem in beslag genomen.

Aldus kan energieverlies via het onderste uiteinde van het voorraadvat beter worden voorkomen.

De onderhavige uitvinding zal thans worden toegelicht aan de 25 hand van de tekening, waarin fig. 1 een bovenaanzicht op een zonnecollector volgens de uitvinding voorstelt; fig. 2 een doorsnede door de zonnecollector van fig. 1 voorstelt langs lijn II-II; 30 fig. 3 een doorsnede door de zonnecollector van fig. 1 voor stelt langs lijn III-III; fig. 4 een schematische weergave van een voorraadvat van de zonnecollector volgens fig. 1 voorzien van een vinsysteem is; fig. 5-7 doorsneden voorstellen overeenkomstig fig. 3 van uit-35 voeringsvarianten van de zonnecollector volgens de uitvinding.

In fig. 1 is een bovenaanzicht weergegeven van een zonnecollector 1 volgens de uitvinding. De zonnecollector 1 omvat een behuizing 2 welke een transparante afdekplaat 3, welke geschikt uit perspex is 1029168 i 5 vervaardigd, en een bodemplaat 4 (fig. 2 en 3) omvat. Binnen de behuizing 2 bevindt zich een voorraadvat 5. Dit voorraadvat 5 wordt, tijdens bedrijf, direct opgewarmd door zonnestraling, en is voor het efficiënt absorberen daarvan voorzien van een absorberende laag (niet 5 nader aangegeven), zoals op zichzelf bekend is. De absorberende laag is bijvoorbeeld een spectraalgevoelige coating, die weinig warmtestraling uitzendt. Een dergelijke coating is bekend uit DE4433863. Voor het verhogen van de warmte-opbrengst omvat de zonnecollector 1 ook een spiegel 6, bij voorkeur een evolvente spiegel 6. Deze concen- 10 treert licht en reflecteert dat op het voorraadvat 5, ook aan de on derzijde daarvan.

De zonnecollector 1 zal in de praktijk zodanig worden geplaatst dat het voorraadvat 5 schuin staat. Voor plaatsing op de grond, of op een plat dak A (fig. 3, 5-7) of dergelijke, zal de zonnecollector 1 15 in dat geval van poten 7 (fig. 3) of dergelijke zijn voorzien. Ook is het mogelijk de zonnecollector 1 met 1 uiteinde op een verhoging te plaatsen, zoals een muurtje. De zonnecollector 1 kan ook op een hellend dak van een woning worden geplaatst.

In geval van plaatsing van de zonnecollector 1 volgens de uit-20 vinding zodanig dat het voorraadvat 5 schuin staat, kan een verhoogd rendement worden bereikt. Dit niet alleen door een betere invang van zonnestraling (in gebieden buiten de tropen), maar ook doordat doelmatiger gebruik gemaakt wordt van de laagvorming in het voorraadvat 5 van warm water op minder warm water.

25 Voor het toevoeren en afvoeren van water uit het voorraadvat 5 zijn een toevoerleiding 15 en een afvoerleiding 16 aanwezig. Merk op dat de mond van de afvoerleiding 16 zich hoger bevindt dat de mond van de toevoerleiding 15, waardoor als gevolg van de laagvorming via de afvoerleiding 16 relatief warm water zal worden afgevoerd.

30 In overeenstemming met de onderhavige uitvinding is het voor raadvat 1 aan een eerste uiteinde 8 voorzien van een een lichtabsor-berende vin 17 omvattend vinsysteem 9 dat is ingericht voor het overdragen van warmte op het voorraadvat 5. Doordat de zonnecollector 1 in de praktijk voor het verhogen van de opbrengst veelal schuin zal 35 worden geplaatst, is in dat geval dit eerste uiteinde 8 het onderste uiteinde. De vin 17 van het vinsysteem 9 heeft een lengte, gerekend in de lengterichting van het voorraadvat 5, van ten minste 10 cm, maar bij voorkeur is de vin 17 langer. De vin 17 van het vinsysteem 9 1029168 6 schermt het onderste uiteinde van het voorraadvat 5 tegen straling af. Aldus wordt warmteverlies door uitstraling vanaf het onderste uiteinde van het voorraadvat 5 beperkt, terwijl de warmteopbrengst wordt vergroot. De vin 17 van het vinsysteem 9 heeft aldus een dubbe-5 le werking bij het verhogen van de thermische opbrengst van de zonnecollector 1 volgens de uitvinding.

In fig. 4 is te zien dat de hartlijn door het voorraadvat 5 en het eerste uiteinde 8 daarvan een punt C definieert dat het middelpunt is van een buiten het vinsysteem 9 gelegen virtuele bol B. Wan-10 neer het vinsysteem 9 vanaf het gedefinieerde punt op de virtuele bol B wordt geprojecteerd, wordt hierdoor ten minste 25% van het oppervlak van de virtuele bol B gedekt. Doordat door het eerste uiteinde 8 van het voorraadvat 5 uitgezonden warmtestraling met grote kans in de richting van het vinsysteem 9 wordt uitgezonden, is de kans aanwezig 15 dat deze straling door het vinsysteem 9 wordt geabsorbeerd en aldus terug naar het voorraadvat 5 wordt getransporteerd. Ook kan de warmtestraling door diffuse (lichtverstrooiende) reflectie naar het voorraadvat 5 worden gereflecteerd. In geval van een tapse vorm (fig. 5-7) van het vinsysteem 9, kan ook door middel van niet-diffuse reflec-20 tie warmtestraling terug naar het eerste uiteinde 8 van voorraadvat 5 worden gereflecteerd. Met excuses aan werktuigbouwkundigen en technisch tekenaars is de aanzichtlijn aan het van het eerste uiteinde 8 afgelegen uiteinde van het vinsysteem 9 weggelaten om duidelijk te maken dat de hier beschreven vinsystemen 9 aan dat uiteinde open 25 zijn, al kunnen zij volgens de uitvinding desgewenst ook gesloten zijn.

Volgens de uitvinding kan het vinsysteem 9 een warmtetransport-systeem 10 bezitten voor het verhogen van de thermische opbrengst. Volgens een zeer eenvoudig te realiseren uitvoeringsvorm (fig. 6) be-30 staat deze uit een leiding 11 met een eerste leidinguiteinde 12 en een tweede leidinguiteinde 13. Hierbij is belangrijk dat het tweede leidinguiteinde 13 zich hoger dan het eerste leidinguiteinde 12 bevindt. In geval van verhitting van de vin 17 van het vinsysteem 9 zal het water in de leiding 11 worden opgewarmd en door convectie via het 35 tweede leidinguiteinde 13 in het voorraadvat 5 terechtkomen. Relatief kouder water wordt via het eerste leidinguiteinde 12 in de leiding 11 gevoerd. In situaties zonder voldoende warmte-instraling op het vinsysteem 9 komt deze convectie van water door de leiding 11 tot stil- 1029168 7 stand, en worden warmteverliezen vermeden. De warmtestraling vanaf de leiding 11 leidt dankzij het vinsysteem 9 niet noodzakelijkerwijs tot warmteverliezen. In plaats van een leiding 11 die is aangesloten op het voorraadvat 5 en waardoor water uit het voorraadvat 5 stroomt, 5 kan ook gebruik worden gemaakt van een heatpipe 14 (fig. 7), welke dezelfde rol vervult en voordelen heeft als beschreven voor de leiding 11.

1029168

Claims

1. Zonnecollector (1) met geïntegreerde warmteopslag (5), welke zon-5 necollector (1) een behuizing (2) omvat welke een bodemplaat (4) en een transparante afdekplaat (3) omvat, waarbij in de behuizing (2) tussen een evolvente spiegel (6) en de transparante afdekplaat (3) een voorraadvat (5) voor opslag van water is aangebracht en waarbij het voorraadvat (5) is voorzien van een lichtstraling absorberende 10 vin (17), met het kenmerk, dat het voorraadvat een onderste uiteinde (8) en een bovenste uiteinde heeft, en het onderste uiteinde (8) nabij de omtrek van het voorraadvat (5) is voorzien van een vinsysteem (9) ingericht voor het overdragen van warmte op het voorraadvat (5), welk vinsysteem (9) een lichtabsorberende vin (17) omvat met een 15 lengtecomponent in de lengterichting van het voorraadvat (5) van ten minste 10 cm, en het vinsysteem (9) zodanig is uitgevoerd dat, wanneer het vinsysteem (9) vanaf een punt (C) aan het onderste uiteinde (8) van het voorraadvat (5) dat op de hartlijn door het voorraadvat (5) ligt op een buiten· het vinsysteem gelegen virtuele eenheidsbol 20 (B) die dat punt (C) als middelpunt heeft wordt geprojecteerd, het geprojecteerde (door het vinsysteem (9) afgeschermde) oppervlak ten minste 25% van het oppervlak van de virtuele eenheidsbol (B) beslaat.

2. Zonnecollector (1) volgens conclusie 1, waarbij de lengte van de 25 lichtabsorberende vin (17) in de lengterichting van het voorraadvat (5) ten minste 15 cm is, en bij voorkeur ten minste 20 cm.

3. Zonnecollector (1) volgens conclusie 1 of 2, waarbij het vinsysteem (9) weg van het voorraadvat (5) taps toelopend is uitgevoerd. 30

4. Zonnecollector (1) volgens conclusie 3, waarbij de vin (17) van het vinsysteem (9) aan de zijde van de transparante afdekplaat een stompere hoek met de hartlijn maakt dan aan de zijde van de evolvente spiegel (6). 35

5. Zonnecollector (1) volgens een der voorgaande conclusies, waarbij het vinsysteem (9) een warmte-transporterende leiding (10) omvat die de lichtabsorberende vin (17) met het voorraadvat (5) verbindt. 1029168 I— ... - ______j

6. Zonnecollector volgens conclusie 5, waarbij de warmte-transporterende leiding (10) een heat-pipe (14) is.

57. Zonnecollector (1) volgens een der voorgaande conclusies, waarbij ten minste 30% en met meer voorkeur ten minste 35% van het virtuele oppervlak van een eenheidsbol (B) met het punt (C) als middelpunt door het vinsysteem (9) in beslag wordt genomen. 1029168 —_______________________*