DE10338483A1 - Solar collector has vortex device to stir up heat carrier fluid as it flows through absorber to absorb absorption heat for better heat transfer - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor, mit wenigstes einem Reflektor zum Reflektieren eintreffender Strahlung und zum Kollimieren der reflektierten Strahlung in einer Brennebene; einem in der Brennebene oder deren Umgebung ausgebildeten Absorber zum Absorbieren der in der Brennebene kollimierten Strahlung und zum Umwandeln der Energie der absorbierten Strahlung in Absorptionswärme; und mit einem den Absorber durchströmenden Wärmeträgerfluid zur Aufnahme der Absorptionswärme.The The present invention relates to a solar collector, at least a reflector for reflecting incoming radiation and for Collimating the reflected radiation in a focal plane; one in the focal plane or its surroundings formed absorber for Absorbing the collimated in the focal plane radiation and the Converting the energy of the absorbed radiation into heat of absorption; and with an absorber flowing through it Heat transfer fluid for absorbing the heat of absorption.
Die Entwicklung von neuen Technologien im Bereich Solartechnik schreiten immer schneller voran. Hierbei ist ein wichtiges Projekt zur Nutzung der Sonnenenergie die sogenannte Solartechnologie, bei der die Sonnenenergie nicht wie bei der Photovoltaik zur Herstellung von Strom, sondern von Wärme genutzt wird. Dabei spielt die Entwicklung von neuartigen Solarkollektoren eine große Rolle. Hierbei wird ein Wärmegedämmter Absorber benutzt, der von einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt wird. Jene Wärmeträgerflüssigkeit ist in der Regel ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmitteln. Diese Flüssigkeit erhitzt dann den Warmwasservorrat. Die Solartechnologie wird zur Zeit hauptsächlich zur Heizung von Privathäusern, zur Erwärmung von Schwimmbädern und Swimmingpools und zur Beheizung von Hallen eingesetzt.The Development of new technologies in the field of solar technology getting faster and faster. Here is an important project for use Solar energy is the so-called solar technology, which uses solar energy not like photovoltaics to produce electricity, but of heat is being used. The development of innovative solar collectors plays a role here a big Role. This is a thermally insulated absorber used by a heat transfer fluid flows through becomes. That heat transfer fluid is usually a mixture of water and antifreeze. This liquid then heats the hot water supply. The solar technology becomes the Time mainly for heating private homes, for warming of swimming pools and swimming pools and used for heating halls.
Bei der Solartechnologie unterscheidet man grundsätzlich zwischen zwei Haupteinsatzgebieten – der Warmwasserbereitung und der Raumheizung. Vom Umweltpolitischen her ist die Warmwasserbereitung am besten geeignet, da sich der Verbrauch von erwärmtem Wasser über das Jahr hinweg nicht sonderlich verändert. Mit heutigen Solaranlagen kann man im Schnitt 65% des jährlichen Warmwasserverbrauchs durch Sonnenenergie erhalten. Für die technische Umsetzung der Solartechnologie wird ein So larkollektor benötigt, der aus einem Absorber besteht, der die einfallende Sonnenstrahlung in Wärme umwandelt. Dieser Absorber ist wärmegedämmt und wird von einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt. Durch einen Solarregler wird die Temperatur am Kollektor und im Warmwasserspeicher überprüft. Wenn die Temperatur am Kollektor einen gewissen Schwellenwert überschreitet, beginnt die Flüssigkeit zu zirkulieren und erhitzt den Speicher. Der Absorber besteht je nach Nutzungsart aus schwarzen Metall- oder Kunststoffstreifen, die mit einem Wärmeträgerrohr verbunden sind, welches den Wärmeträger enthält. Der Absorber gibt die überschüssige Wärme in Form von langwelliger Wärmestrahlung ab.at Solar technology basically distinguishes between two main areas of use - hot water production and the space heating. From the environmental point of view is the hot water most suitable, since the consumption of heated water over the Not much changed during the year. With today's solar systems can be an average of 65% of the annual Hot water consumption obtained by solar energy. For the technical In order to implement the solar technology, a solar collector is needed consists of an absorber, which reduces the incident solar radiation converted into heat. This absorber is thermally insulated and will from a heat transfer fluid flows through. By a solar controller, the temperature at the collector and in the hot water tank is checked. If the Temperature at the collector exceeds a certain threshold, the liquid starts to circulate and heat the store. The absorber is ever according to usage of black metal or plastic strips, with a heat transfer tube are connected, which contains the heat carrier. Of the Absorber gives the excess heat in form of long-wave heat radiation from.
Die zur Zeit wichtigsten Kollektoren sind Flachkollektoren und Vakuum-Röhrenkollektoren. Der Flachkollektortyp wird in der Regel für die Brachwassererwärmung und/oder zur Heizungsunterstützung eingesetzt. Die Hauptbestandteile dieses Kollektors sind ein Absorber, ein wärmegedämmtes Gehäuse und eine transparente Abdeckung. Diese transparente Abdeckung bewirkt, dass auf Grund der spezifischen Transmissionseigenschaften des transparenten Materials nur wenig Wärmestrahlung von dem Absorber an die Außenstrahlung abgegeben wird. Zusätzlich übernimmt die Abdeckung eine Schutzfunktion, um den Absorber vor Witterungseinflüssen zu schützen. Der Absorber besteht normalerweise aus schwarzbeschichtetem Aluminium oder Kupferblech mit hoher Wärmeaufnahme und geringer Wärmeabgabe und ist mit einem Rohrleitungssystem verbunden, durch welches ein frostsicherer Wärmeträger gepumpt wird. Eine zusätzliche Wärmedämmung auf der Rückseite des Absorbers und an den Seitenwänden bewirkt, dass Wärmeverluste durch Wärmeleitung vermindert werden können. Um mögliche Konvektionsverluste im Kollektor zu reduzieren, besteht ferner die Möglichkeit, die im Kollektor vorhandene Luft aus dem Innenraum herauszupumpen. Diese Kollektoren nennt man dann Vakuum-Flachkollektoren.The At present the most important collectors are flat plate collectors and vacuum tube collectors. Of the Flat plate type is usually used for brackish water heating and / or for heating support used. The main components of this collector are an absorber, a thermally insulated housing and a transparent cover. This transparent cover causes that due to the specific transmission properties of the transparent Materials only little heat radiation from the absorber to the external radiation is delivered. In addition takes over The cover provides a protective function to the absorber from the weather protect. The absorber is usually made of black-coated aluminum or copper sheet with high heat absorption and low heat emission and is connected to a piping system through which a frost-proof heat transfer medium pumped becomes. An additional Insulation on the back of the absorber and on the side walls causes heat loss through heat conduction can be reduced. To possible To reduce convection losses in the collector, there is also the Possibility, To pump out the air in the collector from the interior. These collectors are called vacuum flat-plate collectors.
Der Röhrenkollektor – auch Vakuumröhrenkollektor genannt – unterscheidet sich von einem Flachkollektor dadurch, dass ein luftleerer Bereich zwischen Abdeckung und Absorber für eine besonders gute Isolierung sorgt. Aus diesem Grund hat ein Röhrenkollektor einen bis zu 20 % höheren Wirkungsgrad als der Standart-Flachkollektor, wobei hier der Wirkungsgrad das Verhältnis von Nutzenergie (Wärme) zu eingesetzter Energie (Sonnenstrahlung) bezeichnet. Ein Vakuum-Röhrenkollektor weißt einen Absorber auf, der sich in einer evakuierten, druckfesten Glassröhre befindet. Der Wärmeträger durchströmt dann den Absorber entweder direkt in einem U-Rohr oder im Gegenstrom durch ein Rohr- im- Rohr-System. Ein Kollektor besteht aus mehreren hintereinander geschalteten oder über eine Sammelleitung verbundenen Röhren. Derartige Sonnenkollektoren sind beispielsweise aus der AT-344375 oder aus der AT-352354 bekannt. Hierbei werden Absorber in der Gestalt von Flachrohren eingesetzt, die in rinnenförmigen Reflektoren angeordnet sind. Bei dieser Konstruktion verschlechtert sich die direkte Bestrahlung der Leitungsabschnitte des Absorbers bei flachem Lichteinfall durch Beschattung der Reflektorränder, je weiter unterhalb diese von der Zylinderachse des Rinnenprofils entfernt sind. Um dennoch den Wirkungsgrad des Sonnenkollektors verbessern zu können, wird vorgeschlagen, den Kollektor dahingehend zu optimieren, dass dieser unabhängig vom jeweiligen Sonnenstand die eingestrahlte Sonnenenergie besser nutzen kann. Eine Lösung besteht darin, nachführbare Kollektoren einzusetzen, um somit immer die optimale Einstellung des Kollektors hinsichtlich des jeweiligen Sonnenstandes zu gewährleisten. Der Nachteil von nachführbaren Kollektoren ist jedoch, dass die Konstruktion derartiger Typen äußerst komplex und kostenintensiv wird. Ferner sind nachführbare und damit bewegbare Kollektoren witterungsanfällig und wartungsintensiv.The tube collector - also called a vacuum tube collector - differs from a flat plate collector in that an air-empty area between the cover and the absorber ensures particularly good insulation. For this reason, a tube collector has up to 20% higher efficiency than the standard flat plate collector, where the efficiency is the ratio of useful energy (heat) to energy used (solar radiation). A vacuum tube collector detects an absorber, which is located in an evacuated, pressure-resistant glass tube. The heat transfer medium then flows through the absorber either directly in a U-tube or in countercurrent through a tube-in-tube system. A collector consists of several connected in series or connected via a manifold pipes. Such solar panels are known, for example, from AT-344375 or from AT-352354. Here, absorbers are used in the form of flat tubes, which are arranged in channel-shaped reflectors. In this construction, the direct irradiation of the line sections of the absorber deteriorates at low incidence of light by shading the reflector edges, the farther below these are removed from the cylinder axis of the channel profile. Nevertheless, in order to improve the efficiency of the solar collector, it is proposed to optimize the collector to the effect that it can make better use of the incident solar energy regardless of the position of the sun. One solution is to use trackable collectors, thus always ensuring the optimum setting of the collector Lich to ensure the respective position of the sun. The disadvantage of trackable collectors, however, is that the design of such types becomes extremely complex and costly. Furthermore, trackable and thus movable collectors are susceptible to weather and maintenance.
Es ist ferner bekannt, Sonnenkollektoren mit nebeneinandergereihten Reflektoren in Form von oben offenen Rinnenprofilen einzusetzen, die in Längsrichtung verlaufende Leitungsabschnitte für Wärmeträgermittel aufweisen. Dabei sind teilweise die im Querschnitt vorzugsweise kreisförmigen Leitungsabschnitte des Absorbers mit radial abstehenden, sich zumindest im wesentlichen über die Reflektorlänge erstreckenden Absorberstreifen bzw. Absorberstegen versehen. So ist beispielsweise aus der AT-402114B bekannt, die Leitungsabschnitte des Absorbers mit nach oben oder unten abstehenden Absorberstegen auszurüsten, die die Wärmeaufnahme durch die Leitungsabschnitte für das Wärmeträgermittel insbesondere bei diffuser Strahlung verbessern sollen. Die nach unten gegen die Reflektorwand gerichteten Absorberstege bewirken dabei, dass die Leitungsabschnitte der Absorber weiter in die Nähe der Zylinderachse des Reflektors rücken, sodass auch bei flachem Einfallswinkel des Sonnenlichtes die Leitungsabschnitte des Absorbers direkt bestrahlt werden. Der Nachteil hierbei liegt darin, das grundsätzlich ein relativ großer Strahlungsanteil auch dabei indirekt über den Absorbersteg aufgenommen und somit über einen Umweg an das Leitungssystem des Absorbers weitergeleitet wird, wobei an der Verbindung von Absorbersteg und Leitungsabschnitt mit großen Wärmeverlusten zu rechnen ist.It is also known solar panels with juxtaposed Insert reflectors in the form of open-top channel profiles, in the longitudinal direction extending line sections for heat transfer medium exhibit. Some of these are preferably in cross section circular Line sections of the absorber with radially projecting, at least essentially over the reflector length extending absorber strip or Absorberstegen provided. So is known for example from AT-402114B, the line sections of the absorber with upwardly or downwardly projecting absorber webs equip, the heat absorption through the line sections for the heat transfer medium especially in case of diffuse radiation. The after cause absorber webs directed down against the reflector wall doing so, that the line sections of the absorber further into the vicinity of the cylinder axis the reflector, so that even at a low angle of incidence of sunlight, the line sections of the absorber are irradiated directly. The disadvantage here is in that, basically a relatively large one Radiation component also indirectly absorbed via the absorber web and thus over a detour is forwarded to the conduit system of the absorber, being at the connection of absorber web and pipe section with large heat losses is to be expected.
Aus
der
Bei sämtlichen aus dem Stand der Technik bekannten Kollektorkonstruktionen ist der Wärmeübergang zwischen dem Absorber bzw. dem Leitungssystem des Absorbers auf das Wärmeträgermittel ungleichmäßig und von daher unvollständig, da bei sämtlichen bekannten Lösungen die Absorber in den Reflektorrinnen nicht allseitig von der Sonne angestrahlt und von daher ungleichmäßig erwärmt werden. Dieses führt zu einem Ausbilden von heißen und kühlen Abschnitten am Umfang der Leitungsabschnitte des Absorbers, was letztendlich zu der mangelhaften Wärmeübertragung auf das Wärmeträgermittel führt.at all is known from the prior art collector designs the heat transfer between the absorber and the conduit system of the absorber the heat transfer medium uneven and therefore incomplete, there with all known solutions the absorbers in the reflector troughs are not everywhere from the sun illuminated and therefore heated unevenly. This leads to a Forming hot and cool Sections on the circumference of the line sections of the absorber, what ultimately to the defective heat transfer to the heat transfer medium leads.
Auf der Grundlage der geschilderten Problemstellung liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Sonnenkollektor der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die Wärmeübertragung vom Absorber bzw. den Leitungsabschnitten des Absorbers auf das Wärmeträgermittel und somit der gesamte Wirkungsgrad des Sonnenkollektors deutlich verbessert werden kann.On the basis of the described problem is the present Invention, the object of a solar collector of the beginning Such a way that the heat transfer from the absorber or the line sections of the absorber on the heat transfer medium and thus the entire Efficiency of the solar collector can be significantly improved.
Diese Aufgabe wird bei einem Sonnenkollektor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Einrichtung zum Verwirbeln des durch den Absorber strömenden Wärmeträgerfluids vorgesehen ist.These Task is in a solar collector of the type mentioned solved by in that a device for swirling the heat transfer fluid flowing through the absorber is provided.
Die erfindungsgemäße Lösung weist eine ganze Reihe wesentlicher Vorteile gegenüber den aus der Solartechnik bekannten und vorstehend erläuterten Kollektoren auf. Durch den Einsatz der Verwirbelungseinrichtung wird das Wärmeträgerfluid innerhalb der Leitungsabschnitte des Absorbers, die sich entlang des Reflektors erstrecken, verwirbelt. Dadurch wird erreicht, dass das Wärmeträgerfluid durchweg in einer turbulenten Strömungsform durch den Absorber strömt. Die Verwirbelungseinrichtung dient dabei zum zum einen dazu, Turbulenzen aus einer anfänglich laminaren Strömung des Wärmeträgerfluids entstehen zu lassen, und zum anderen Turbulenzen in einer bereits turbulenten Strömung des Wärmeträgerfluid aufrecht zu erhalten (Produktion). Jene Turbulenzen bewirken die aus der nicht linearen Dynamik bekannten Effekte der turbulenten Diffusion. Diese turbulente Diffusion liegt im allgemeinen deutlich über den molekularen Werten, die bei laminaren Strömungen, und insbesondere in der Strömung der Wärmeträgerfluide in den Leitungsabschnitten der aus dem Stand der Technik bekannten Absorber, auftreten. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass über die erfindungsgemäße Verwirbelungseinrichtung erzeugte turbulente Strömung im Absorber das Aufbauen einer Grenzschicht zwischen dem strömenden Wärmeträgerfluid und der Wandung des Absorbers verhindert wird. Dadurch wird der Wärmeübergang zwischen der Absorberwand und dem Wärmeträgerfluid deutlich verbessert.The inventive solution has a whole series of significant advantages over those from solar technology known and explained above Collectors on. Through the use of the swirling device becomes the heat transfer fluid within the conduit sections of the absorber that run along of the reflector extend, swirled. This ensures that the heat transfer fluid throughout in a turbulent flow flows through the absorber. The turbulator serves on the one hand to turbulence from an initial laminar flow the heat transfer fluid on the other hand turbulence in one already turbulent flow the heat transfer fluid to maintain (production). Those turbulences cause the from the non-linear dynamics known effects of the turbulent Diffusion. This turbulent diffusion is generally well above the molecular values involved in laminar flows, and in particular in the flow the heat transfer fluids in the line sections of the absorbers known from the prior art, occur. In other words this means that over the swirling device according to the invention generated turbulent flow in the absorber building a boundary layer between the flowing heat transfer fluid and the wall of the absorber is prevented. This will be the Heat transfer significantly improved between the absorber wall and the heat transfer fluid.
Ein weiterer Vorteil der Verwirbelungseinrichtung liegt darin, dass durch das Ausbilden der turbulenten Strömung im Absorber eine Verschmutzung der Innenwand des Absorbers bzw. eine Ablagerung auf dieser durch das Wärmeträgerfluid verhindert werden kann. Jene Verschmutzungen bzw. Ablagerungen führen bei den aus dem Stand der Technik bekannten Absorbern zu einer weiteren Herabsetzung des Wärmeüberganges zwischen der Absorberwand und dem Wärmeträgerfluid. Durch den Einsatz der Verwirbelungseinrichtung wird somit ein Selbstreinigungseffekt erzielt.One Another advantage of the swirling device is that by forming the turbulent flow in the absorber a pollution of the Inner wall of the absorber or a deposit on this by the Heat transfer fluid can be prevented. Those soiling or deposits lead to the known from the prior art absorbers to another Reduction of heat transfer between the absorber wall and the heat transfer fluid. Because of the engagement the swirling device thus becomes a self-cleaning effect achieved.
Die erfindungsgemäße Verwirbelungseinrichtung ist ferner unabhängig von den jeweiligen Kollektortyp einsetzbar. So ist beispielsweise denkbar, die Verwirbelungseinrichtung bei Flachkollektoren, Vakuum- Flachkollektoren, Röhrenkollektoren und Vakuum-Röhrenkollektoren zu verwenden.The swirling device according to the invention can furthermore be used independently of the respective collector type. For example, it is conceivable that the swirling device is a flat collector to use vacuum flat plate collectors, tube collectors and vacuum tube collectors.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Verwirbelungseinrichtung in vorteilhafter Weise für alle zur Zeit denkbaren Wärmeträgerfluide mit den oben beschriebenen Vorteilen eingesetzt werden. Das bedeutet, dass nicht nur ein wässriges Wärmeträgerfluid, sondern auch Öle oder andere leicht verdampfbare Stoffe die als Wärmemittel bzw. Wärmeträgerfluid angewandt werden, durch die Verwirbelungseinrichtung bei der Durchströmung des Absorbers verwirbelt werden, was zu den obig genannten Vorteilen und insbesondere zur Optimierung des Wärmeüberganges zwischen dem Absorber und den Wärmeträgerfluid führt. Auch ist es denkbar, die erfindungsgemäße Verwirbelungseinrichtung in beispielsweise Vakuum- Röhrenkollektoren vom Heat-Pipe-Typ einzusetzen. Hierbei handelt es sich um einen Verdampfer, bei dem die Wärme des Absorbers über ein geschlossenes Rohr aus der Glasröhre herausgeführt und über eine nasse oder trockene Anbindung an das Wärmeträgermedium weiter abgegeben wird. Dabei könnte die Verwirbelungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, um beispielsweise das angebundenen Wärmeträgermedium zu verwirbeln.Furthermore can the swirling device according to the invention in an advantageous way for everyone currently conceivable heat transfer fluids be used with the advantages described above. That means, that not just a watery one Heat transfer fluid, but also oils or other easily vaporizable substances as heat or heat transfer fluid be applied, by the swirling device in the flow through the Absorbers are swirled, resulting in the above-mentioned advantages and in particular for optimizing the heat transfer between the absorber and the heat transfer fluid leads. It is also conceivable, the swirling device according to the invention in, for example, vacuum tube collectors use of the heat pipe type. This is an evaporator, where the heat the absorber over closed tube from the glass tube led out and over a wet or dry connection to the heat transfer medium is passed on. It could the swirling device according to the present invention Invention are used, for example, the tethered Heat transfer medium to swirl.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous Further developments of the invention are specified in the subclaims.
So ist beispielsweise vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Verwirbelungseinrichtung eine auf zumindest einigen Bereichen der Innenwand des Absorbers ausgebildete Profilierung ist. Denkbar wäre hier beispielsweise jene Wandungen im Inneren des Absorbers, die zur Leitung bzw. Führung des Wärmeträgerfluids durch den Absorber dienen, zumindest teilweise mit Rippen bzw. Rillen oder radial einwärts gerichteten Stegen zu versehen. Auch können Rohrabschnitte, die im Absorber zur Führung des Wärmeträgerfluids eingesetzt werden, als Drall- bzw. Rippenrohre ausgeführt sein. Dadurch wird das durch den Absorber strömende Wärmeträgerfluid zwangsweise in eine spiralförmig rotierende Bewegung versetzt. Dadurch wird der laminaren stationären Grundströmung des Wärmeträgerfluids im Absorber eine Störbewegung überlagert, welche einen Übergang vom laminaren zum turbulenten Strömungszustand und somit das Einsetzten der Turbulenz bewirkt. Damit wird in vorteilhafter Weise von allen heißen Zonen der Absorberwand die Wärme optimal abgeleitet und eine bessere Wärmeabnahme am Absorber bzw. ein besserer Wärmeübergang auf das Wärmeträgerfluid erreicht. Denkbar hierbei wäre, dass das vorgesehene Drall- bzw. Rippenrohr ein mehrgängige Steigung aufweist, so dass das Wärmeträgerfluid in einer zwangsweisen, spiralförmigen Bewegung an der Innenwandung des Absorbers transportiert wird, um somit eine besonders gute Wärmeabnahme und einen optimalen Wärmeübergang zu ermöglichen.So For example, it is provided that the swirling device according to the invention one on at least some areas of the interior wall of the absorber trained profiling is. It would be conceivable, for example, those Walls in the interior of the absorber, which are used to guide or guide the heat transfer fluid serve by the absorber, at least partially with ribs or grooves or radially inward to provide directed webs. Also, pipe sections that are in the Absorber to guide the Heat transfer fluid be used, be designed as a swirl or finned tubes. As a result, the heat transfer fluid flowing through the absorber forcibly into a spirally rotated movement offset. As a result, the laminar steady flow of the Heat transfer fluid superimposed in the absorber a disturbing movement, which is a transition from the laminar to the turbulent flow state and thus the Inserting the turbulence causes. This is done in an advantageous manner called by all Zones of the absorber wall heat optimally derived and better heat dissipation at the absorber or a better heat transfer on the heat transfer fluid reached. It would be conceivable that the intended swirl or finned tube has a multiple pitch, so that the heat transfer fluid in a forced, spiraling motion is transported on the inner wall of the absorber, thus a particularly good heat absorption and optimal heat transfer to enable.
In einer besonders vorteilhaften Realisierung des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors ist ferner vorgesehen, das die Verwirbelungseinrichtung eine aus zumindest einigen Bereichen einer Innenwand des Absorbers ausgebildete Rauhigkeit ist. Ein derartige Rauhigkeit könnten beispielsweise gleiche oder unterschiedlich dimensionierte Störobjekte sein, die als Turbulenzkeime dienen. Jene Störobjekte sind dabei auf den Wandungen im Inneren des Absorbers, die zur Leitung bzw. Führung des Wärmeträgerfluids durch den Absorber dienen, angeordnet. Dadurch, dass diese Störobjekte ganz gezielt an bestimmten Bereichen der Innenwandung des Absorbers ausgebildet werden können, kann der Turbulenzgrad der Strömung Optimal an die jeweilige Anwendung, das heißt an die Absorberformgebung, das Wärmeträgerfluid, die Durchströmgeschwindigkeit, etc., angepasst werden. Selbstverständlich ist es dabei denkbar, die Rauhigkeit in Verbindung mit einer auf zumindest einigen Bereichen der Innenwand des Absorbers ausgebildeten Profilierung einzusetzen. Auch sind hier andere Störobjekte, wie beispielsweise in der Strömung des Wärmeträgerfluids vorgesehene Turbulenzendrähte, denkbar.In a particularly advantageous realization of the solar collector according to the invention is further provided that the swirling a from trained at least some areas of an inner wall of the absorber Roughness is. Such roughness could, for example, be the same or differently sized perturbation objects that are called turbulence germs serve. Those disturbing objects are doing on the walls inside the absorber that leads to the line or leadership of the heat transfer fluid serve the absorber, arranged. Because of these disturbing objects specifically targeted to certain areas of the inner wall of the absorber can be trained can the degree of turbulence of the flow Optimal to the respective application, that is to the absorber shaping, the heat transfer fluid, the flow rate, etc., to be adjusted. Of course it is conceivable the roughness in conjunction with one on at least some areas to use the inner wall of the absorber trained profiling. Also here are other obtrusive objects, such as in the flow the heat transfer fluid provided turbulence wires, conceivable.
Eine vorteilhafte, wenngleich aus der Solartechnik teilweise bekannte Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung besteht darin, das der Absorber neben zumindest einem Absorberrohr, dessen eine Stirnfläche geschlossen ist und dessen andere Stirnfläche offen ist oder zumindest eine Öffnung aufweist und als Auslass des Wärmeträgerfluids dient, ferner eine im Inneren des Absorberrohrs angeordnete Zufuhrröhre zum Zuführen des Wärmeträgerfluids aufweist, deren beide Stirnflächen offen sind oder zumindest jeweils eine Öffnung aufweisen und deren an der Auslassseite des Absorberrohrs liegende Öffnung als Einlass des Wärmeträgerfluids dient. Der Vorteil hierbei ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die vom Absorberrohr umhüllte Zufuhrröhre das Wärmeträgerfluid dem Absorber in einer ersten Richtung fließend zugeführt wird, während jenes Wärmeträgerfluid anschließend in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung aus dem Absorberrohr über dessen Außenmantelfläche ausfließt. Diese Konstruktion hat den Vorteil, dass der Einlass und der Auslass für das Wärmeträgerfluid an der selben Seite des Absorbers angeordnet sind, so dass zum einen eine sehr kompakte Bauweise des Absorbers erzielbar ist und zum anderen mehrere Absorber auf einfache Weise hintereinander angeschlossen werden können. Aus konstruktionstechnischen Gründen werden die Absorber meist in Form von Röhren ausgeführt, denkbar wäre hier jedoch auch, abgeflachte bzw. plattenförmige Absorber zu verwenden.A advantageous, although partially known from solar technology Further development of the present invention is the the absorber in addition to at least one absorber tube whose one end face is closed is and its other face is open or at least an opening and as an outlet of the heat transfer fluid serves, further arranged in the interior of the absorber tube feed tube for Respectively the heat transfer fluid has, whose two end faces are open or at least each have an opening and their on the outlet side of the absorber tube opening as an inlet of the heat transfer fluid serves. The advantage here is in particular to be seen in that which was covered by the absorber tube Feed tube that Heat transfer fluid the absorber is supplied fluently in a first direction, while that heat transfer fluid subsequently in a second direction opposite to the first direction from the absorber tube over whose outer circumferential surface flows out. These Construction has the advantage that the inlet and the outlet for the heat transfer fluid to The same side of the absorber are arranged, so that on the one hand a very compact design of the absorber is achievable and the another multiple absorber easily connected in a row can be. For constructional reasons If the absorbers are usually made in the form of tubes, this would be conceivable here but also to use flattened or plate-shaped absorber.
Als eine besonders vorteilhafte Weiterentwicklung der letztgenannten Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Zuführröhre, die von dem Absorberrohr umhüllt wird, ein Drall- bzw. Rippenrohr verwendet wird. Hierbei entspricht die auf der Außenmantelfläche der Zufuhrröhre ausgebildete Profilierung der Verwirbelungseinrichtung. Dadurch wird bewirkt, dass das Wärmeträgerfluid, nachdem es über die Zufuhrröhre dem Absorber zugeführt worden ist, beim Zurückströmen mittels der auf der Außenmantelfläche der Zufuhrröhre ausgebildeten Profilierung verwirbelt wird. Auf Grund des im Absorber turbulent zurückströmenden Wärmeträgerfluids wird eine optimale Wärmeübertragung zwischen der Außenwand des Absorberrohres und dem Wärmeträgerfluid erzielt. Denkbar hierbei wäre, dass die Außenwand des Absorberohres gleichzeitig auch die Außenwand des Absorbers darstellt. In einer anderen Realisierung ist in besonders Vorteilhafterweise vorgesehen, dass der Absorber zusätzlich noch ein transparentes Gehäuse aufweist, welches das Absorberrohr mit der innenliegenden Zufuhrröhre zumindest teilweise umgibt. Zur besseren Wärmeisolierung könnte der Zwischenraum zwischen der Außenwand des Absorberrohres und der Gehäuseinnenwand mit Edelgas befüllt sein; möglich wäre jedoch auch, diesen Zwischenraum zu evakuieren. Durch die Edelgas-Befüllung bzw. die Evakuierung des Zwischenraumes zwischen dem Absorbergehäuse und dem Absorberrohr können in Vorteilhafterweise konvektionsbedingte Wärmeverluste deutlich herabgesetzt werden. Selbstverständlich sind hierbei auch andere Konstruktionen denkbar, um derartige Verluste zu minimieren.When a particularly advantageous development of the latter embodiment is provided that as a delivery tube, the enveloped by the absorber tube is used, a swirl or finned tube is used. This corresponds on the outer surface of the supply tube trained profiling of the swirling device. Thereby is causing the heat transfer fluid, after it about the supply tube supplied to the absorber has been re-flowing by means of on the outer surface of the supply tube trained profiling is swirled. Because of the absorber turbulent flowing back heat transfer fluid will provide optimal heat transfer between the outer wall of the Absorber tube and the heat transfer fluid achieved. Conceivable here would be that the outer wall the absorber ear simultaneously represents the outer wall of the absorber. In another implementation is particularly advantageous provided that the absorber in addition to a transparent casing comprising, which at least the absorber tube with the inner supply tube partially surrounds. For better thermal insulation could the space between the outer wall of the absorber tube and the housing inner wall filled with inert gas be; possible would be, however also to evacuate this gap. By the noble gas filling or the evacuation of the space between the absorber housing and the absorber tube can Advantageously, convection-related heat losses significantly reduced become. Of course In this case, other constructions are conceivable to such losses to minimize.
In einer besonders Vorteilhaften Weiterbildung der letztgenannten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die auf oder in der Zufuhrröhre vorgesehene Verwirbelungseinrichtung in der Gestalt umlaufender Rillen mittels eines Präge- oder Walzverfahrens aufgebracht wurden. In diesem Fall könnte beispielsweise die Zufuhrröhre ein dünnwandiges Rohr sein, welches mit spiralförmig umlaufenden Rillen versehen ist. Dadurch wird erreicht, dass nicht nur auf der Außenmantelfläche der Zufuhrröhre eine Profilierung ausgebildet wird, sondern auch eine entsprechende korrespondierende Profilierung auf der Innenmantelfläche dieser Röhre anzutreffen ist. Der Vorteil hierbei liegt unter anderem darin, dass durch diese Ausführung die Zufuhrröhre thermische Dehnungen problemlos aufnehmen kann.In a particularly advantageous embodiment of the latter embodiment of the invention it is provided that the vortexing device provided on or in the supply tube is in the shape of circumferential grooves applied by means of a stamping or rolling process were. In this case could for example, the feed tube a thin-walled one Be tube, which with spiral circumferential grooves is provided. This will accomplish that not only on the outer surface of the supply tube a profiling is formed, but also a corresponding corresponding profiling on the inner circumferential surface of this Tube to be found is. The advantage here is, inter alia, that through this execution the feed tube thermal Strains can absorb easily.
Um auch bei flachem Lichteinfall auf den Reflektor des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors einen möglichst großen Anteil der eintreffenden Strahlung nutzen zu können, ist vorzugsweise vorgesehen, dass sich zumindest ein Absorbersteg radial vom Absorber nach außen erstreckt. Jener Absorbersteg verbessert die Wärmeaufnahme durch die Abschnitte, welche das Wärmeträgerfluid durch den Absorber führen, insbesondere bei diffuser Strahlung. Dabei ist vorgesehen, dass jene Strahlungsanteile, die auf Grund des flachen Einfalls durch beispielsweise Beschattung der Reflektorränder ursprünglich nicht mehr genutzt werden konnten, nun indirekt über den Absorbersteg aufgenommen und somit an den Absorber weitergeleitet werden. Denkbar hierbei wäre, einen oder eine Vielzahl von Absorberstege zu verwenden, die sich von dem Absorber nach oben oder nach unten erstrecken. In besonders vorteilhafter Weise ist ein senkrechter Absorbersteg nach unten oder nach oben, oder es sind zwei waagerechte Absorberstege nach rechts bzw. links vorgesehen, wobei dadurch ein möglichst optimales Verhältnis von Absorption, Konvektion und Wärmeabstrahlung bezogen auf die Absorberoberfläche erreicht wird. Selbstverständlich sind hier aber auch andere Anordnungen von Absorberstegen denkbar.Around even at low incidence of light on the reflector of the solar collector according to the invention one possible huge To be able to use fraction of the incident radiation is preferably provided that at least one absorber bar extends radially from the absorber to the outside. That absorber bar improves the heat absorption through the sections, which the heat transfer fluid through the absorber, especially with diffuse radiation. It is envisaged that those radiation components due to the flat incidence by For example, shading the reflector edges were originally no longer used could, indirectly via the Absorber bar recorded and thus forwarded to the absorber become. Conceivable here would be to use one or a variety of absorber bars, which themselves extend from the absorber up or down. Especially Advantageously, a vertical Absorbersteg down or up, or there are two horizontal absorber bars after provided on the right or left, thereby a possible optimal ratio of Absorption, convection and heat radiation related on the absorber surface is reached. Of course But here are other arrangements of Absorberstegen conceivable.
In einer möglichen Realisierung des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors ist vorgesehen, dass der Absorber mäanderförmig ausgebildet ist, um somit eine optimale und an die jeweilige Anwendung angepasste Konstruktion des Sonnenkollektors zu ermöglichen. Die mäanderförmig ausgebildete Absorberform des Drallrohres macht insbesondere dann Sinn, wenn beispielsweise Strömungsleitbleche, Kerben oder Flachstellen in einem glatten Absorberrohr angeordnet werden, da so auch Verwirbelungen im hinreichenden Maße ermöglich werden. Selbstverständlich sind die Lehren der vorliegenden Erfindung auf jede Kollektorform bzw. Absorberform mit den gleichen vorteilhaften Effekten abwendbar.In a possible Realization of the solar collector according to the invention is provided that the absorber is meander-shaped, thus an optimal design adapted to the respective application to enable the solar panel. The meander-shaped absorber shape the swirl tube makes sense especially if, for example flow baffles, Notches or flats arranged in a smooth absorber tube be, as well as swirling to a sufficient extent possible. Of course they are the teachings of the present invention to each collector shape or Absorber form with the same beneficial effects averted.
Eine vorteilhafte, wenngleich auch aus der Solartechnik bekannte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Reflektor des Sonnenkollektors ein in Richtung der eintreffenden Strahlung hin offenes Rinnenprofil ist. Dabei ist vorgesehen, dass das Rinnenprofil die Strahlung auf den Absorber fokussiert. Dies wird beispielsweise durch eine Verspiegelung der Oberfläche des Reflektors erzielt. Denkbar hierbei ist es, Reflektoren einzusetzen, die kreiszylindrische oder parabolische Quer schnitte aufweisen. Ferner ist es denkbar, nachführbare Reflektoren im Zusammenhang mit dem Sonnenkollektor der vorliegenden Erfindung einzusetzen, um unabhängig von der Einfallsrichtung der Strahlung einen möglichst optimalen Wirkungsgrad zu erzielen.A advantageous, although also known from solar technology training The present invention is that the reflector of the solar collector a groove profile open in the direction of the incident radiation is. It is provided that the gutter profile the radiation on the Absorber focused. This is done, for example, by mirroring the surface achieved the reflector. It is conceivable here to use reflectors, have the circular cylindrical or parabolic cross sections. Furthermore, it is conceivable, trackable Reflectors in the context of the solar collector of the present Use invention to independently from the direction of incidence of the radiation as optimal an efficiency as possible achieve.
Zum Erzielen eines kompakten Sonnenkollektors ist des weiteren Vorteilhafterweise vorgesehen, dass eine Vielzahl von aneinander angrenzenden Reflektoren zur Ausbildung eines Kollektorarrays angeordnet sind.To the Achieving a compact solar collector is further advantageous provided that a plurality of adjacent reflectors are arranged to form a collector array.
Schließlich ist es in Hinblick auf eine optimale, das heißt möglichst vollständige Absorption der in der Brennebene des Sonnenkollektors kollimierten Strahlung von Vorteil, dass der Querschnitt des in der Brennebene oder deren Umgebung ausgebildeten Absorbers des Sonnenkollektors eine an der Katakaustik orientierte kreisförmige Formgebung aufweist. In vorteilhafter Weise ist ferner die Außenseite des Absorbers mit einer hoch-selektiven Absorberfolie (beispielsweise TINOX) ummantelt. Ferner ist die Anordnung des Absorbers innerhalb des Reflektors dahingehend optimiert, das dieser in seiner horizontalen Lage symmetrisch zu dem zugehörigen Reflektor angeordnet und in vertikaler Richtung in das Zentrum der Katakaustik gerückt ist. In vorteilhafter Weise ist der Absorber derart in dem Reflektor angeordnet dass ein Mindest-Isolierspalt zwischen dem Absorber und dem Reflektor verbleibt. Durch diese Anordnung des Absorbers sowie durch die Verwendung des an der Katakaustik orientierten, kreisförmigen Absorberquerschnittes ist die Größe der Fläche des Absorbers, auf welche die vom Reflektor reflektierte Strahlung kollimiert wird, nahezu unabhängig vom Einfallswinkel der Strahlung. Selbstverständlich sind hier aber auch andere Anordnungen bzw. Querschnittsformgebungen des Absorbers denkbar.Finally, it is in terms of optimal, that is as complete as possible absorption of the collimated in the focal plane of the solar collector Radiation advantageous that the cross section of the formed in the focal plane or its surroundings absorber of the solar collector has a oriented on the Katakaustik circular shape. Advantageously, furthermore, the outside of the absorber is coated with a highly selective absorber foil (for example TINOX). Furthermore, the arrangement of the absorber is optimized within the reflector to the effect that it is arranged in its horizontal position symmetrically to the associated reflector and moved in the vertical direction in the center of Katakaustik. Advantageously, the absorber is arranged in the reflector such that a minimum insulating gap remains between the absorber and the reflector. By this arrangement of the absorber and by the use of oriented on the Katakaustik, circular absorber cross-section, the size of the surface of the absorber on which the reflected radiation from the reflector is collimated, almost independent of the angle of incidence of the radiation. Of course, other arrangements or cross-sectional shapes of the absorber are also conceivable here.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors anhand der Zeichnungen näher erläutert.in the Below is a preferred embodiment of the solar collector according to the invention closer to the drawings explained.
Es zeigen:It demonstrate:
Die
einzelnen Sonnenkollektoren werden seitlich sowie an ihren Unterseiten
mit (nicht dargestellten) Abstandshaltern am Gehäuse
Bei
der in
Jeder
der einzelnen Absorber
Die
jeweilige Anordnung der einzelnen Absorber
Besonders
bevorzugt ist vorgesehen, dass der jeweilige Absorber
Die
jeweiligen Reflektoren
Die
einzelnen Absorber
Die
Zufuhrröhre
Denkbar
hierbei wäre
auch, dass anstelle oder zusätzlich
zu der auf oder in der Zufuhrröhre ausgebildeten
Profilierung andere Störkörper als
Verwirbelungseinrichtung
An dieser Stelle sie darauf hingewiesen, das alle oben beschriebenen Teile für sich allein gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details als erfindungswesentlich beansprucht werden. Änderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.At This point you pointed out, all the above Parts for seen alone and in any combination, especially those in The details shown in the drawings claimed as essential to the invention become. amendments this is familiar to the person skilled in the art.
- 11
- Reflektorreflector
- 22
- Brennebenefocal plane
- 33
- Absorbeabsorbe
- 44
- WärmeträgerfluidHeat transfer fluid
- 55
- Verwirbelungseinrichtungswirling
- 66
- Absorberrohrabsorber tube
- 77
- Absorberrohr-AuslassAbsorber tube outlet
- 88th
- Zufuhrröhresupply tube
- 99
- Zufuhrröhre-EinlassSupply tube inlet
- 1010
- Absorberstegabsorber bridge
- 1111
- Gehäusecasing
- 1212
- Abdeckungcover
- 1313
- VorlaufrohrsystemFlow pipe system
- 1414
- RücklaufrohrsystemReturn pipe system
Claims (11)
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|---|---|---|---|
| DE10338483A DE10338483A1 (en) | 2003-08-21 | 2003-08-21 | Solar collector has vortex device to stir up heat carrier fluid as it flows through absorber to absorb absorption heat for better heat transfer |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| DE10338483A1 true DE10338483A1 (en) | 2005-03-17 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8181 | Inventor (new situation) |
Inventor name: JUNG, RAINER W., 07646 ALBERSDORF, DE |
|
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: JUNG, RAINER W., 07646 TROCKENBORN-WOLFERSDORF, DE |
|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |