SE467225B - Solfaangare omfattande ett evakueringsbart hus - Google Patents

Description

m 225 2 På solfángarens ingàngssida betyder detta att kollektorn i sol- fàngaren endast går miste om en energimässigt mindre del av spek- trat. Kollektorn, allt eftersom den värms, kommer att vilja avge energi, d V s infraröd strålning, men p g a det överliggand§_ isolermaterialets spärrande eller reflekterande verkan, kommer detta försök till utläckage obarmhärtigt att slås tillbaka.

Kollektorn kommer alltså att få den normalt, i konventionella solfångare, utläckande värmemängden i retur. Samtidigt isolerar silikaaerogel-skiktet höggradigt mot konduktion av värme från kollektorn. Sammantaget betyder detta minimala förluster och alltså hög verkningsgrad, även vid högre kollektortemperaturer.

För närvarande kända kvaliteter av silikaaerogel i skiv- eller blockform har den nämnda, utsökta värmeisoleringsförmágan och infraröd-stràlningreflekterande karaktären upp till ca 220°C.

Det stora problemet med kända solfångare, efter att värmeläckage- problemet lösts, är värmelagringen.

Lagringsproblematiken löses normalt med vatten som hålls vid atmosfärstryck,innebärandelågalagringstemperaturerochbulkiga ackumulatorenheter samt kostsamma anordningar för uttagning av den i ackumulatorn lagrade energin.

Man använder typiskt ett värmepumpsystem vars kollektor är pla- cerad i vattentanken, för att på detta sätt transformera upp temperaturen hos det i tanken lagrade vattnet till en tempera- turnivá användbar t ex direkt i fjärrvärmesystem eller för driv- ning av andra typer av värme/kylanordningar, t ex luftkonditio- neringssystem av absorptionstyp.

Man är alltså normalt inte i stånd att uppnå de temperaturnivàer i lagringsanordningen som krävs för en direktanslutning till anordningar resp anläggningar av det nämnda slaget, där värme- bäraren, helst utan mellansteg, bör kunna arbeta mot temperaturer i t ex ett fjärrvärmesystem eller annat högtemperatursystem. De temperaturniváer man önskar ligger vanligtvis vid åtminstone 80- 100°C eller högre.

I; 467 225 Eftersom man alltmer vill komma ifrån freon som värmebärare: freon fås att ta upp energi vid lågt tryck och måttliga tempera- turer, vore det synnerligen lämpligt att kunna erbjuda andra möjligheter än freon för utnyttjande av värme-energi åstadkommen och lagrad medelst ett solfångarsystem. Såsom tidigare nämnts, är det alltså möjligt och önskvärt att åstadkomma praktiskt an- vändbara solfångare som arbetar med höga kollektortemperaturer och god verkningsgrad.

Så vitt bekant, har emellertid solfångare tidigare ej kunnat byggas med integrerat värmelager, åtminstone inte med ett värme- lager som förmår lagra energi vid jämförelsevis hög temperatur och dessutom i ett lager med en volym som är'praktiskt användbar.

Genom insikten att det finns för ljusenergi mer eller mindre fullständigt transparent material med utomordentliga värmeiso- leringsegenskaper, och att man med detta material är i stånd att erbjuda en solfångare med fördubblad, uttagbar energi, räknat på så lång tid som årsbasis, har naturligtvis intresset för la- gringsproblematiken ytterligare stärkts.

Om man sålunda vore i stånd.att erbjuda ett integrerat solfångar- energilagringskoncept i form av en solfångare med inbyggd värme- ackumulator med hög värmekapacitet, förefaller det som man änt- ligen hittat den fulländade solfångare.

Man har mycket överraskande enligt uppfinningen funnit.material- typer som på utsökt sätt matchar silikaaerogel-skivorna eller blocken i termer av värmelagringskapacitet och lagringstempera- tur.

Man har nämligen funnit, att mjukningsenergin eller i det full- ständigafasomvandlingsstadietdärsådantärnßjligt,smältvärmet för vissa.material har ett i sammanhanget tillräckligt högt värde för att ge kompakta ackumulatorenheter. Till detta kommer att temperaturnivån hos kollektor/ackumulatorsystemet blir tillräck- 467 225 4 ligt för anslutning, direkt eller via värmeväxlare, till idag förekommande kyl- värmesystem resp maskiner.

Uppfinningen tillhandahåller sålunda solfångare, omfattande ett evakueringsbart hus, åtminstone ett för solstrálning väsentligen transparent ytskikt i huset, och en som åtminstone del av en kollektor utförd strömningsledning med inlopps och utloppsan- slutningar för ett vârmebärande medium i nämnda hus.

Solfångaren utmärks av att strömningslednngen står i värmeut- bytesförhållande med en i nämnda hus anordnad värmeackumulerande kropp omfattande ett material som genom värmeupptagning upprep- bart övergår från fast till åtminstone mjukgjort tillstånd och som genom avgivning av motsvarande värmemängd återgår till fast tillstånd.

Denna ackumulatoranordning utgör med fördel del av en solfångare där det transparanta ytskiktet omfattar ett för den övervägande merparten av strålningsenergin transparent material, med mycket ringa värmeledningsförmâga samt med infraröd strålning reflek- terande karaktär, båda storheterna betraktade vid ett tempera- turtillstånd svarande åtminstone mot mj ukningstemperaturen eller mj ukningstemperturintervallet för den värmeackumul erande kroppen.

För att fullständigt ta till vara möjligheterna med det nämnda ackumulatormaterialet, väljs detta så att materialet har en mjuk- ningstemperatur av åtminstone 100°C och ett smältvärme av åt- minstone 50 kWh/m3.

För att ange ytterligare ett föredraget gränsvärde för en annan komponent i solfångaren, nämligen det för strålningsenergi trans- parenta materialet, så har detta en ringa värmeledningsförmâga, Ås 0,02 W/m°C, mindre än med den hos stillastående luft. I på luft evakuerat tillstånd är Å ännu bättre och är typiskt lika med 0,008 W/m°C i fallet evakuerad silikaaerogel i skiv- eller blockform. 467 225 5 I en lämplig utföringsform omfattar det för strálningsenergi väsentligen transparenta materialet med mycket ringa värmeled- ningsförmäga silikaaerogel i skiv- eller blockform med infraröd strålning reflekterande karaktär samt temperaturberoende värme- ledningstal,Ä.bättre än 0,08 W/m°C vid temperaturen vid 220°C.

I en speciellt lämpad utföringsform är den vârmeackumulerande kroppen en genomfärgade svart kropp av en termoplast av typen minnesplast, exempelvis förnâtad polyeten, med en mjuknings temperatur i intervallet 100-220°C och ett smâltvärme i inter- vallet 50-100 kWh/m3.

I en annan utföringsform är kroppen genomfärgad svart och om- fattar ett salt eller glas med mjukningstemperatur i intervallet 100-220°C och smâltvärme i intervallet 50-100 kWh/m3.

I en föredragen praktisk utföringsformnomfattar det transparenta ytskiktet nämnda för strâlningsenergi transparenta, värmeiso- lerande material samt yttre skyddande skikt av glas, företrädes-, vis av den typ som har låg järnhalt och är härdat, och den värme- ackumulerande kroppen omges på tvâ bredsidor därav av transpa- renta ytskikt, varjämte även övriga delar av den värmeackumu- lerande kroppen är täckta av det värmeisolerande materialet, och nämnda strömningsledning âr anordnad inuti värmeackumulatorkrop- pen, varvid huset är evakuerat på luft ned till ett lufttryck under 0,1 bar.

I en utföringsform omfattar den värmeackumulerande kroppen en förnâtad polyeten med en mjukningstemperatur av ungefär 130°C och ett smältvärde av ca 80 kWh/m3, och medel är anordnade i solfàngarens strömningsledning för att avge den lagrade energin vid en temperatur ej väsentligen under mjukningstemperaturen.

I en utföringsform har ackumulatorkroppen formen av åtminstone en skiva med en tjocklek i intervallet 1-10 cm, och det ljus- energitransmitterande, isolerande materialet har en tjocklek av 5-40 mm. .467 225 6 Uppfinningen kommer nu att exemplifieras med hänvisning till bifogade ritningar, där Fig. 1 i tvärsnitt visar del av en solfångare enligt uppfin- ningen, Fig. 2 mera fullständigt visar solfångarkonstruktionen i Fig. 1, Fig. 3 i diagramform visar vârmeackumulatorns lagringsfas med avseende på tid resp temperatur, Fig. 4 i diagramform visar ackumulatorns urladdningsfas med avseende på temperatur och tid, Fig. 5 i diagramform visar verkningsgraden hos högisolerande resp konventionella solfångare i beroende av den korri- gerade kollektortemperaturen (diagrammet är framtaget av S. Svendsen, Thermal Insulation Laboratory, Tech- nical University, Lyngby, Danmark), och Fig. 6 schematiskt visar en solfängarinstallation enligt upp- finningen direktansluten till_kollektorsidan hos en kyl/värmeanläggning eller maskin.

Solfàngarelementet 10 i Fig. 1 omfattar ett centralt värmeacku- mulatorskikt 11, i det aktuella fallet bestående av en förnätad polyeten, som är en termoplast av s k "minnestyp" och har ett smältvärme 293 kJ/kg eller 81 kWh/m3, en mjukningstemperatur av ca 130°C samt ett specifikt värme av 2,3 kJ/kg°C samt ett värme- ledningstal av 0,38 W/m°C. Utmärkande för materialet i ackumu- latorskiktet 11 är sålunda att det krävs en stor värmemängd för att få materialet att mjukna, d v s 81 kWh/m3. Materialet är dessutom reversibelt mellan fast och mjukt (praktiskt taget smält) tillstånd under långvarig drift, innebärande att man här har ett uthålligt ackumulatormaterial för långvarigt bruk.

Om man inför begreppet fasomvandling för omvandlingen från hårt tillstånd till mjukt tillstånd, vilket i praktiken ligger mycket nära smält tillstånd, kan man helt enkelt använda sig av smält- värmebegreppet och inser dä, att man här har ett reversibelt energisystem, d v s ett system som vid energitillförsel lagrar energi under det att materialet övergår i mjukt/flytande till- _ Vi 1 467 225 7 stånd, och ett system som avger energi under det att materialet återgår till fast tillstånd.

I Fig. 3 och 4 visas de två förloppen lagring resp avgivning av energi.

I Fig. 3 har det därvid antagits, att solfångaren tar emot kon- stant solenergi och att ingen avtappning av energi sker.

Den första lutande kurvdelen 12 svarar härvid mot den energi- lagring som sker p g a materialets specifika värme (2,3 kJ/kg°C) , och den horisontella kurvdelen 13 avser "fasomvandlingen", varvid i det aktuella fallet energimängden 81 kWh/m3 tillförs mate-_ rialet. I det aktuella fallet kan man tänka sig att kurvdelen 13 representerar ett tidsförlopp av 12 timmars solsken.

Den med 14 betecknade kurvdelen i Fig. 3 får representera den temperaturökning med åtföljande, viss energilagring som sker efter att det värmeackumulerande materialet smält. Tempertur- stegringen enligt kurvdelen 14 fortsätter emellertid ej över en viss maximitemperatur, i det här fallet 220°C, beroende på att isolerskikten 16, 17 som omger värmeackumulatorkroppen och, som senare kommer att beskrivas, vid denna temperatur ger upphov till att värmeläckage ut från kroppen 11 startar. Detta är alltså anledningen till att kurvdelen 15 representerar ett utplanat förlopp.

När sedan avtappning av energin i ackumulatorkroppen 11 skall ske, i det aktuella fallet vid en temperaturnivå av cza 130°C, àstadkoms detta genom att en värmebärare bringas att cirkulera genom strömningsledningar 18 i kroppen för att via utloppet från solfångaren tillföra en värmeförbrukande enhet och därefter, via inlopp återinföras i strömningsledningarna 18.

I Fig. 4 har antagits att uttagningen av energi sker så att kon- stant värmemängd uttas per tidsenhet. Det skall härvid givetvis observeras, att tiden för uttagning av energin helt och hållet 467 225 8 blir beroende av flödet hos värmebäraren och att man sålunda genom ett stort flöde snabbt kan ladda ur väremackumulator- kroppen.

I Fig. 4 startar värmeavgivningsloppet med en rak kurvdel 19 representerande det specifika värmet. Därefter följer en hori- sontell del, vid temperaturen cza 130°C, då smältvärme tas ut (81 kWh/m3) , varefter följ er kurvdelen 21 svarande mot det speci- fika värmet för materialet i fast tillstånd (i praktiken lika med specifika värmet i flytande tillstånd) .

Naturligtvis får värmebäraren i strömningsledningarna 18 anpassas till rådande temperaturförhållanden. I de fall där man har ett mycket lågt flöde av värmebärare blir det nödvändigt att ha en värmebärare med en kokpunkt liggande väl över maximal lagrings- temperatur i värmeackumulatorkroppen. Man kan exempelvis använda sig av olika oljor, speciellt då silikonolj or eller stearinolj or.

I de fall där ett stort flöde genomströmmar strömningsledningarna 18, är det möjligt att utnyttja vanligt vatten, som under sin passage genom ackumulatorn 11 under kontinuerlig drift av denna, ej hinner att övergå i ångfas.

Naturligtvis kommer vatten att övergå i ånga om temperaturen stiger över 100°C och trycket i systemet hålls vid atmosfårs- tryck. Emellertid kommer ett stopp i cirkulationen endast ha till följd att en relativt liten innesluten ångvolym i strömningsled- ningarna 18 uppstår. Eftersom denna ånga kan betraktas som torr, är den dessutom isolerande, innebärande att vattensystemet utan- för sj älva ackumulatorkroppen knappast drabbas av "värmesmitta" .

Att starta upp systemet innebär i praktikenr endast att man har att mot verkan av ångtrycket trycka in vatten i ledningarna 18, vilket går att genomföra med lämpligt dimensionerade pumpar.

Det har i förbigàende nämnts att värmeackumulatorkroppen 11 i Fig. 1, på båda sidor därav är omgiven av skikt 16, 17 av mycket ringa väremledningsförmåga och av ett material som är transparent för den övervägande merparten av energin hos solljus.

I!! 467 225 I den aktuella utföringsformen i Fig. 1, är detta material ett evakuerat silikaaerogel material i skivform och närmare bestämt ett material som har ett värmeledningstal Å.av endast ca 0,008 W/m°C (som jämförelse kan nämnas att Ä.för stillastående luft är lika med 0,026 W/m°C) samt med en för solljus transparent karaktäristik vad gäller merparten av strålningen. Dock har det aktuella silikaaerogel materialet den egenskapen att det reflek- terar infrarött ljus, vilket i föreliggande sammanhang endast är av godo. Det bör tilläggas att den nämnda ljustransmitterande karaktäristiken gäller upp till en.maximitemperatur av ca 220°C.

Att den infraröd-reflekterande karaktäristiken är av nytta i sammanhanget, beror på att vid de relativt höga kollektortempera- turer resp värmeackumulatorkropptemperaturer det här'blir frågan om, kommer förlusterna i normalfallet, utan den reflekterande gelen enligt uppfinningen, att vara summan av den lángvàgiga, röda resp infraröda strålningen från kroppen, vilken vid de ak- tuella temperaturerna är relativt hög, och ledningsförlusterna i gelen, vilka med hänsyn till nämnt.Ä-värde är ringa.

Sålunda, genom att den infraröda strålningen reflekteras tillbaka mot den värmeackumulerande kroppen ll, blir energiförlusterna minimala och därmed verkningsgraden hög.

För att fullborda solfångarstrukturen i Fig. 1, finns där även visade skyddande, ytterskikt 22, 23 av glas, i det aktuella fal- let glas med låg järnhalt och av härdad typ.

Nu, när den grundläggande konstruktionen resp funktionen avhand- lats, kan med hänvisning till Fig. 1, 3 och 4 följande energi- betraktelse göras: Antag att vi har en dag med 12 timmars solsken med maxintensitet av 800 W. Detta ger en medelintensitet av ungefär 500 W, inne- bärande en totalt tillförd energimängd av 6 kWh. Antag vidare att solfångarens verkningsgrad vid 130°C är lika med 60% (detta kommer senare att behandlas med hänvisning till Fig. 5).

A 67 225 ~ :Lo Av resonemanget följer sålunda att 3,6 kWh skall lagras. Med hänsyn till att plastens kapacitet eller mjukningsvârme är lika med 81 kWh/m3 innebär detta att man behöver in alles 0,044 m3 ackumulatorkroppmaterial, eller uttryckt på annat sätt en skiva av 1 m2 med en tjocklek av 4,4 cm.

Vi har då t ex en total effekt av 3.600 W att ta ut under en timma vid en värmebårartemperatur av 13 0-140°C. Detta räcker utan vidare till tillagning av en god middag.

Med hänsyn till vad som tidigare nämnts beträffande gelskiktens 16, 17 isoleringskapacitet, kan alltså förlusterna, även i acku- mulatorn försummas, och man kan i praktiken ta ut energin på valfri tid och under valfri tidsperiod, t ex på natten eller tidigt på morgonen.

Kombinationen av det höga mjukningsvärmet per volymsenhet av ackumulatormaterialet och den höga lagringstemperaturen, innebär en mångfald av praktiska energiavtappningsmöjligheter.

I Fig. 2 och 6 visas dels en del av en enskild solfångare samt ett solfångarsystem. Eftersom solfångaren i Fig. 2 i princip omfattar elementen enligt Fig. 1, har samma hänvisningssiffror använts, men med tillägget a. Det bör emellertid observeras att i stället för den nämnda förnätade polyetenen resp silika- aerogelen av angivet slag, ekvivalenta eller likartade material kan komma till användning. I Fig. 2 har dessutom visats en runt- omgående ram 24, lämpligen av stål, eller motsvarande stabilt material, som tillsammans med de yttre skyddande glasskivorna 22a, 23a ger en robust och tålig konstruktion, som dessutom kan vakumeras ned till låg trycknivå, av storleksordningen 0,1 bar eller lägre. Vid dessa tryck föreligger mycket stora krafter på den av ytterglas och dikt mot varandra anliggande ínnerskikt.

Silikaaerosolgelen i skiv- eller blockform av angivet slag klarar emellertid utan vidare dessa påfrestningar. al: 467 225 ll Att solfángaren är symmetrisk kring ackumulatorkroppen lla, eller åtminstone är mottaglig för ljus till båda bredsidorna därav, innebär att man genom lämplig'montering, exempelvis enligt Fig. 6, även kan tillgodogöra sig diffus strålning 25 från bakgrunden, innebärande en icke oväsentlig verkningsgrad-förbättring.

Med systemet 10a av solfångare i Fig. 6 och tillhörande inlopp 26 resp utlopp 27 samt inuti solfàngarna befintliga strömnings- ledningar l8a och anslutningsledningar 28, 29 är det åstadkommet ett cirkulationssystem för en värmebärare, exempelvis vatten, som är avsedd att avtappa i ackumulatorerna lla i solfàngarna 10a befintlig energi under styrning av en cirkulationspump 30.

I ledningssystemet finns även insatt en övertrycksventil 31. Led- ningarna 29, 28 är anslutna till en kyl/värmeanläggnings 32 kol- lektorsida 31. I princip matas alltså kollektorn 31 med vatten i Vätskefas, men vid behov kan naturligtvis vattnet ersättas med annan fluid med högre kokpunkt, innebärande temperturnivàer av upp till ca 130°C till kollektorn 31.

Anläggningen 32 kan exempelvis vara ett luftkonditioneringssystem eller en kylanläggning, varvid i båda fallen de utgående led- ningarna 34, 35 representerar kanaler för kall-luft.

Tidigare har nämnts att verkningsgraden för solfángaren enligt uppfinningen ligger avsevärt högre än verkningsgraden hos kon- ventionella solfångare. I Fig. 5 visas tre kurvor 1, 2 och 3 som illustration av detta. Kurvorna är såsom tidigare nämnts fram- tagna av S. Svendsen, Thermal Insulation Laboratory, Technical University, Lyngby, Danmark. Kurvorna 1 och 2 avser solfàngar- konstruktioner enligt uppfinningen, dock utan värmeackumulator, där i det ena fallet diffus strålning förekommer i kombination med direktstrålning (kurva 1) och där enbart direktstrålning förekommer (kurva 2). Man ser härvid t ex att vid 130°C är verk- ningsgraden enligt uppfinningen ca 60%, medan en traditionell solfångare endast kommer upp till 20%. De temperaturangivelser som finns i Fig. 5 anger absoluta tal, d v s kollektortempera- turen minus omgivningstemperaturen. -467 225 12 Även om utföringsexemplen primärtwavhandlat tvärbunden polyeten resp silikaaerogel av viss typ som möjliga material, inses att uppfinningstanken även är tillämpbar vid material med motsvarande egenskaper, varav för närvarande material av typen vissa salter resp vissa mcdífierade glas bedöms som ekvivalenta material. rbx f) IK

Claims (4)

467 225 13 Patentkrav e___

1. Solfångare, omfattande ett evakueringsbart hus, åtminstone ett för solstrålning väsentligen transparent ytskikt i huset, och en som åtminstone del av kollektor utförd strömningsledning, med inlopps- och utloppsanslutningar för ett värmebärande me- dium i nämnda hus, och där strömningsledningen står i värmeut- bytesförhållande med en i nämnda hus anordnad väremackumuleran- de kropp (11, lla) av ett material, som genom väremupptagning upprepbart övergår från fast till åtminstone mjukgjort till- stånd och som genom avgivning av motsvarande värmemängd återgår till fast tillstånd, och det transparenta ytskiktet omfattar ett för den övervägande merparten av strålningsenergin trans- parent material (16, 17) , med mycket ringa vârmeledningsförmåga samt med infraröd strålning reflekterande karaktär, båda stor- heterna betraktade vid ett temperaturtillstând svarande åtmin- stone mot mjukningstemperaturen. k ä n n e t e c k n a d a v, att nämnda ackumulatorkroppmaterial har en mjukningstemperatur av åtminstone 100°C och ett smältvärme av åtminstone 50 kWh/m3.

2. Solfångare enligt krav 1, k å n n e t e c k n a d a v att den värmeackumulerande kroppen är genomfärgad svart och omfattar en termoplast av typen minnesplast, företrädesvis för- nätat polyeten, med en mjukningstemperatur i intervallet 100- 220°C och ett smältvärme i intervallet 50-100 kWh/m3.

3. Solfångare enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d a v att den värmeackumulerande kroppen är svärtad och omfattar ett salt eller glas med mjukningstemperatur i intervallet 100-220°C och smältvärme i intervallet 50-100 kWh/m3.

4. Solfångare enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att värmeackumulatorkroppen omfattar en förnätad polyeten med en mjukningstemperatur av ungefär 130°C och ett smältvärme av -~ 14 ca 80 kWh/m3, och att medel (28-30) är anordnade för attavge den i solfángaren lagrade energin. 5A. _ Solfàngaren enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d a V att aokumulatorkroppen har formen av åtminstone en skiva med en tjocklek i intervallet 1-10 cm, och att det ljusenergitransmit- terande, isolerande materialet, har en tjocklek av 5-40 mm. fr' -411