DE2733420A1

DE2733420A1 - Solar energy collector of all glass construction - giving a performance suitable for cold climates with no corrosion problems

Info

Publication number: DE2733420A1
Application number: DE19772733420
Authority: DE
Inventors: Gerrit De Prof Wilde
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-07-23
Filing date: 1977-07-23
Publication date: 1979-02-01

Abstract

A glass solar energy collector tube comprises an elongated cylindrical glass jacket in which is mounted a U-shaped glass absorber tube through which a heat storing fluid circulates in and out of the jacket. The lower half of the jacket internal surface is coated with a reflective lining, e.g. Al effectively forming a mirror which focuses energy on the inlet branch of the absorber tube. The remainder of the inner jacket surface is coated with a one way light transmitting substance to prevent re-emission of energy. The absorber tube may be blackened in one of several ways to improve absorption. It enters and exits from the jacket through a seal in a neck provided at one end of the jacket and is located and connected to the wall of the jacket by a set of glass ribs at the other end. The inlet branch of the tube is offset after entry so that is lies at the focus of the mirror while the outlet branch lies between the inlet branch and the axis of the jacket. The jacket is evacuated after assembly. The all glass collector is capable of being mass produced and has high evacuation and insulation capabilities which will withstand long periods of cold and cloudy weather. Heat loss is minimised and best use of the available solar energy is made. Problems due to corrosion are avoided by the all glass construction. The operating efficiency of the collector is independent of the element, temp. which is partic. important in cold climates.

Description

Sonnensammler Sun collectors

Es gibt zwei Arten von Sonnensammlern, und zwar solche mit beweglichen Teilen, die der Sonnenbewegung folgen, sowie flache Plattensammler. Ein Problem bei den letztgenannten bestand darin, daß es bisher erforderlich war, deren Einzelteile individuell zu entwerfen und weitgehend in Handarbeit herzustellen, was zu einer beträchtlichen Kostensteigerung führt. Eine Ssrienherstellung derartiger Sammler ist deshalb weitgehend ausgeschlossen.There are two types of solar collectors, and those with movable ones Parts that follow the movement of the sun, as well as flat record collectors. A problem in the case of the latter, it was previously necessary to have their individual parts individually designed and largely handcrafted, resulting in a considerable increase in costs leads. A serial production of such Collectors are therefore largely excluded.

Ein vorrangiges Problem bei Sonnenkollektoren ist ferner eine möglichst wirksame Ansammlung und Speicherung der Wärmeenergie oder umgekehrt ausgedrückt, die Vermeidung von Wirmeverlusten, die auf drei Arten entstehen, und zwar durch Konvektion, durch Konduktion und durch Radiation.A primary problem with solar panels is also one possible effective accumulation and storage of thermal energy or vice versa, the avoidance of thermal losses, which arise in three ways, namely by Convection, by conduction and by radiation.

Die Erfindung bezweckt nunmehr hauptsächlich die Schaffung eines Sonnensammlers, der verhältnismäßig preisgünstig in einer massenproduktion hergestellt werden kann, eine hohe Lebensdauer besitzt und bei der zur Verfügung stehenden Sonnenstrahlung möglichst viel Wärme erzeugt. Dabei wird besonderer Wert darauf gelegt, einen auch bei Bewölkung und in kühleren Klimazonen brauchbaren Sonnenkollektor mit möglichst geringen Wärmeverlusten zu schaffen. Ein derartiger Sonnensammler sollte praktisch eine Einweg-Wärmeauffangvorrichtung sein, wobei die Energie in einer Richtung in das System fließen und nicht nach außen zurückstrahlen sollte.The invention now aims mainly to create a sun collector, which can be mass-produced relatively cheaply, has a long service life and the available solar radiation generates as much heat as possible. Particular emphasis is placed on you, too in cloudy weather and in cooler climates usable solar collector with if possible to create low heat losses. Such a solar collector should be practical be a disposable heat collector with the energy flowing in one direction in the system should flow and not radiate outwards.

Ein erfindungsgemäßer Sonnensammler besteht vorzugsweise aus einer Flächenanordnung in Reihe verbundener, vollständig aus Glas bestehender Sonnenröhren, wobei jede Röhre einen äußeren evakuierten zylindrischen Mantel aus Glas mit einem halbkreisförmigen konkaven zylindrischen Reflektor an seiner inneren mantelfläche aufweist, wobei ein geschwärztes Glasrohr zur Wärmeaufnahme in dem Glaszylinder durch abstützende Verbindungsnittel befestigt ist und zwar in einer derart versetzten Lage, daß es in der Brennebene des Reflektors liegt, und wobei in den Wärmeaufnahmerohren eine die Wärmeenergie speichernde Flüssigkeit umläuft.A solar collector according to the invention preferably consists of one Arrangement of surfaces in a row of connected solar tubes made entirely of glass, each tube having an outer evacuated cylindrical jacket of glass with a semicircular concave cylindrical reflector on its inner jacket surface having, wherein a blackened glass tube for heat absorption in the glass cylinder is attached by supporting connecting means and that in such an offset Location, that it lies in the focal plane of the reflector, and being in the heat-absorbing tubes a liquid that stores the thermal energy circulates.

Ein erfindungsgemäßer Sammler ist vorzugsweise vollständig aus Borsilikat-Glas aufgebaut und weist keine Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Werkstoffen mit unterschiedlichen Größen der Wärmeleitfähigkeit auf, so daß damit verbundene Wärmeverluste ausgeschlossen sind. Der erfindungsgemäße Ganzglas-Sammler läßt sich mit der heutigen Technologie in der Glasindustrie wirtschaftlich in einer Großserienfertigung herstellen und besitzt sehr gute, auch bei langen Kälteperioden und bei Bewölkung beständige Evakuierungs- und Isolierungseigenschaften.A collector according to the invention is preferably made entirely of borosilicate glass built up and has no interfaces between different materials different sizes of thermal conductivity, so that associated heat losses excluded are. The all-glass collector according to the invention can be with today's Manufacture technology in the glass industry economically in large series production and has very good persistence, even in long cold spells and when it is cloudy Evacuation and isolation properties.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein erfindungsgemäßer Allglas-Sammler gegen Korrosion beständig ist, wodurch eines der dringendsten Probleme bei Sonnensammlern gelöst ist. Das Korrosionsproblem ist nämlich auf diesem Gebiet aus zwei Gründen äußerst schwerwiegend, und zwar einmal, weil die Sammler den Witterungseinflüssen ausgesetzt sind, was eine sorgfältige, komplizierte und aufwendige Abschirmung erfordert, und zum anderen wegen der Zirkulation der Flüssigkeiten in den Kollektorrohren. Die Korrosion verursachte daher zwangsläufig ein vorzeitiges und kostspieliges Austauschen der gefährdeten Teile in den Sammlern.Another major advantage of the invention is that an inventive all-glass collector is resistant to corrosion, whereby one of the most pressing problems facing sun collectors has been solved. The problem of corrosion is namely, extremely serious in this area for two reasons, namely one, because the collectors are exposed to the effects of the weather, which requires careful, requires complicated and expensive shielding, and on the other hand because of the circulation of the liquids in the collector pipes. The corrosion caused therefore inevitably premature and costly replacement of the endangered parts in the collectors.

Der erfindungsgemäß als evakuierte Röhre ausgebildete Sonnenwärmesammler zeichnet sich also unter anderem hauptsächlich dadurch aus, daß er mit Ausnahme einer aluminisierten Reflexionsfläche vollständig aus Glas besteht. Die erfindungsgemäß Konstruktion verhindert also auch die sonst bei Grenzflächen zwischen Metall und Flüssigkeit unvermeidlichen Wärmeverluste. Außerdem sind reine Glasdichtungen sicherer und haltbarer als Abdichtungen zwischen Glas und metall. Die erfindungsgemäße Allglas-Konstruktion verringert auch die Probleme der Ausdehnung, die sonst in einem System auftreten, bei welchem innere und äußere Röhren in einem Hochvakuum schwankenden Temoeraturen ausgesetzt sind.The solar heat collector designed according to the invention as an evacuated tube So among other things is mainly characterized in that it consists entirely of glass with the exception of an aluminized reflective surface. The construction according to the invention thus also prevents the otherwise common boundary surfaces unavoidable heat losses between metal and liquid. Also are pure Glass seals safer and more durable than seals between glass and metal. The all-glass construction according to the invention also reduces the problems of expansion, which otherwise occur in a system in which inner and outer tubes in one High vacuum are exposed to fluctuating temperatures.

Ferner wird bei der Erfindung durch das Hochvakuum die Konvektion praktisch ausgeschaltet. Durch die Verwendung von Glas wird auch die Konduktion auf ein minimum herabgesetzt, weil hierdurch die Verwendung guter Wärmeleiter, wie z.B. metalle, und Grenzflächen zwischen Werkstoffen mit unterschiedlicher Leitfähigkeit vermieden werden. Der Wirkungsgrad beim Betrieb des erfindungsgemäßen Kollektors ist auch tatsächlich weniger abhängig von der Außentemperatur als bei bekannten Kollektoren, was insbesondere in kühleren Klimazonen sehr wichtig ist.Furthermore, in the invention, the high vacuum causes convection practically turned off. The use of glass also improves conduction Reduced to a minimum because it allows the use of good heat conductors, such as e.g. metals and interfaces between materials with different conductivity be avoided. The efficiency when operating the collector according to the invention is actually less dependent on the outside temperature than with known ones Collectors, which is very important especially in cooler climates.

Dabei trägt die erfindungsgemaße Nachfokussierung der diffusen Strahlung durch die konkave verspiegelte Fläche der UmmanteP lung und durch die Einweg-Reflektor- oder Rückstrahl-Beschichtung an der verbleibenden Innenfläche der Ummantelung derart, daß sie zu der geschwärzten Wärmeaufnahmevorrichtung gerichtet ist, ebenfalls zur Verringerung von Wärmeverlusten bei.The refocusing according to the invention contributes to the diffuse radiation thanks to the concave, mirrored surface of the casing and the one-way reflector or retroreflective coating on the remaining inner surface of the cladding in such a way that that it is directed towards the blackened heat absorbing device is, also help to reduce heat losses.

Die evakuierte Umgebung vermindert ferner die Gefahr einer Alterung oder Verschlecherung des Spiegels, und der Wirkungsgrad der Schwärzung erhöht die Wärmeaufnahmefähigkeit.The evacuated environment also reduces the risk of aging or deterioration of the mirror, and the blackening efficiency increases Heat absorption capacity.

Weitere Vorzüge und merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in welchen die Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt ist. Es zeigen: Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht einer auf einer Abstützung montierten erfindungsgemäßen Sonnensammel-Platte, Fig. 2 eine schaubildliche Ansicht einer einzelnen Sammelröhre mit einem hier noch vorhandenen, bei der Herstellung zum Evakuieren des Sammlers dienenden Anschlußrohr, Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 2, Fig. 4 einen Querschnitt durch den Halsansatz des erfindungsgemäßen Sammlers entlang der Linie 4-4 in Fig. 3, Fig. 5 einen Querschnitt durch den zylindrischen Hauptabschnitt des erfindungsgemäßen Sammlers, und Fig. 6 eine endseitige Draufsicht mit Ein- und Auslad des ohrleitungssystems für die Flüssigkeitszirkulation.Further advantages and features of the invention emerge from the following Description and the drawing in which the invention is illustrated by way of example and is shown. 1 shows a perspective view of one on one Support-mounted sun collecting plate according to the invention, Fig. 2 is a diagrammatic view View of a single collecting tube with one still present here during manufacture for evacuating the collector serving connecting pipe, Fig. 3 along a cross section the line 3-3 in Fig. 2, 4 shows a cross-section through the base of the neck of the collector according to the invention along the line 4-4 in Fig. 3, Fig. 5 shows a cross section through the cylindrical main portion of the collector according to the invention, and Fig. 6 is an end plan view with loading and unloading of the ear pipe system for the Fluid circulation.

Übereinstimmende Teile des erfindungsgemäßen Sammlers sind in allen Zeichnungsfiguren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts of the collector of the invention are in all Drawing figures are provided with the same reference numerals.

Fig. 1 zeigt einen allgemein mit 10 bezeichneten erfindungsgemäßen Flächensammler für Sonnenenergie, der erfindungsgemäß aus einer Anzahl von Sammelröhren besteht, die jeweils einen evakuierten Außenmantel 8 aus Glas aufweisen, in welchem für die Zirkulation einer die Wärme aufnehmenden Flüssigkeit Rohre oder Leitungen angeordnet sind, die in der Flächenanordnung gemäß Fig. 1 in Reihe verbunden sind. Ein bei der Herstellung der Sammelröhren zur Evakuierung des Glasmantels 8 dienendes AnschluBrohr 14 ist in Fig. 2 und 3 dargestellt, bevor es abgeschmolzen wird, wenn der Halsansatz 16 des Glasmantels abgedichtet wird, nachdem das Vakuum erreicht ist. Es wird ein Hochvakuum in der Größenordnung von 4 x 10'6 Torr erreicht, welches Wärmeverluste durch Konvektion praktisch ausschließt. Der zylindrische Hauptkörper des Glasmantels 8 ist beispielsweise etwa 112 cm lang, und die Länge des Halses des Glasmantels beträgt zusätzlich 75 mm, während das entgegengesetzte verjüngte, abgerundete Ende 2050 mm lang ist. Das Wärmeaufnahmerohr 12, welches z B einen Durchmesser von 19 mm gegenüber einem Durchmesser von 100 mm des Zylindermantels aufweist, tritt in den Hals des Zylinders ein und ist derart abgebogen bzw. versetzt, daß es auf der Länge des Hauptabschnittes des Zylinders in der Nähe von und parallel zu der Zylinderwand verläuft. Das Rohr 12 ist kurz vor dem abgerundeten Ende 20 zurückgebogen, und zwar so, daß der Einlauf- und der Auslaufabschnitt so nahe wie möglich beieinanderliegen, ohne sich zu berühren. Der Aus auf abschnitt des Rohres verläuft auf der Zylinderlänge parallel zum Einltufabschnitt und ist für den Austritt aus dem Hals des Zylinders entsprechend dem Einlaufrohr abgebogen. In Fig. 1, 3 und 6 sind Dichtungsmanschetten dargestellt, welche die Verbindungsabschnitte der Rohre 12 abdichtend umschließen.Fig. 1 shows a generally designated 10 according to the invention Area collector for solar energy, which according to the invention consists of a number of collecting tubes consists, each having an evacuated outer jacket 8 made of glass, in which for the circulation of a liquid that absorbs the heat, pipes or lines are arranged, which are connected in series in the surface arrangement according to FIG. One used in the manufacture of the collecting tubes for evacuating the glass jacket 8 Connection pipe 14 is shown in Figs. 2 and 3, before it melted off when the neck extension 16 of the glass jacket is sealed after the vacuum is reached. A high vacuum of the order of 4 x 10'6 Torr is achieved, which practically excludes heat loss through convection. The main cylindrical body of the glass jacket 8 is, for example, about 112 cm long, and the length of the neck of the glass jacket is an additional 75 mm, while the opposite is tapered, rounded end is 2050 mm long. The heat absorption tube 12, which, for example, has a diameter of 19 mm compared to a diameter of 100 mm of the cylinder jacket occurs into the neck of the cylinder and is bent or offset in such a way that it opens the length of the main portion of the cylinder near and parallel to that Cylinder wall runs. The tube 12 is bent back shortly before the rounded end 20, in such a way that the inlet and outlet sections are as close to one another as possible, without touching. The section of the pipe runs along the length of the cylinder parallel to the inlet section and is for the exit from the neck of the cylinder bent according to the inlet pipe. In Figs. 1, 3 and 6 are sealing collars shown, which enclose the connecting sections of the tubes 12 in a sealing manner.

Die mit einer Überhöhung zurückgebogene Umkehrschleife des Rohres 12 ist in Fig. 3 mit 13 bezeichnet. Eine gekrümmte Glasabstützung 24 mit 3 verzweigten Abschnitten ist für die Lagesicherung vorgesehen. Der Abschnitt 24 ist mit der Umkehrschleife des Flüssigkeits-Zirkulationsrohres verbunden, während die beiden anderen, mit 26 bezeichneten Abschnitte an gegenüberliegenden Wänden 18 des verjüngten Endabschnittes 20 befestigt sind. Sämtliche bisher beschriebenen Teile, d.h. also der Glasmantel, das Wärmeaufnahmerohr und die Abstützung für die Lagesicherung bestehen vorzugsweise aus Borsilikat-Glas. Crenzflächen zwischen untorschiedlichen Materialien und dadurch bedingte Wärme-Ableitungsverluste sind dadurch ausgeschlossen.The reverse loop of the pipe bent back with an excess 12 is designated by 13 in FIG. 3. A curved glass support 24 with 3 branches Sections is provided for securing the position. Section 24 is with the reverse loop of the liquid circulation pipe connected while the two other, designated 26 sections on opposite walls 18 of the tapered End portion 20 are attached. All parts described so far, i.e. so the glass jacket, the heat-absorbing pipe and the support for securing the position preferably made of borosilicate glass. Interface between different materials and the resulting heat dissipation losses are excluded.

Für die Schwärzung der Wärmeaufnahmerohre gibt es drei Möglichkeiten. Die umlaufende Flüssigkeit kann durch Farbstoffe oder kolloidale Suspensionen, wie z.B. Ruß oder Lampenschwarz, Graphit oder Holzkohle in Wasser als Lösungsmittel geschwärzt sein. Frostschutz- und andere mittel können der Flüssigkeit zugefügt werden. Eine schwarze Beschichtung entweder der Innen- oder Außenseite des Rohres 12 wäre eine andere öglichkeit, um eine Wärmeaufnahme zu weichen. Eine Aluminium-Beschichtung ist auf der Länge des Hauptabschnittes auf der Innenfläche des Zylindermantels angebracht und erstreckt sich seitlich über den halben Umfang des Zylindermantels. Diese beschichtete Fläche bildet einen konkaven Zylinderspiegel für die Reflexion eintretender Lichtstrahlen, um diese auf das Wärmeaufnahmerohr zu fokussieren. Das Wärmeaufnahmerohr verläuft entlang der Hauptachse des konkaven Reflexions-Spiegels in der Brennachse des vom Spiegel reflektierten Lichtes. Parallele Strahlen des in den Zylinder eintretenden Lichtes konvergieren etwas durch die konvexe Zylinder fläche, und die Fokussierung des von dem konkaven Spiegel reflektierten Lichtes liegt etwas näher beim Spiegel als die Hauptbrennlinie und zwar auf der gesamten Länge des Spiegels.There are three options for blackening the heat absorption pipes. The circulating liquid can be replaced by dyes or colloidal suspensions, such as e.g. soot or lamp black, graphite or charcoal in water as a solvent be blackened. Antifreeze and other agents can be added to the liquid will. A black coating on either the inside or outside of the pipe 12 would be another way to make way for heat absorption. An aluminum coating is attached to the length of the main section on the inner surface of the cylinder jacket and extends laterally over half the circumference of the cylinder jacket. This coated Surface forms a concave cylinder mirror for the reflection of incoming light rays, to focus them on the heat-absorbing tube. The heat absorption pipe runs along the main axis of the concave reflection mirror in the focal axis of the vom Mirror of reflected light. Parallel rays of the one entering the cylinder Light converge somewhat through the convex cylinder area, and the focusing of the light reflected from the concave mirror is somewhat closer to the mirror than the main focal line, along the entire length of the mirror.

Manche der eintretenden Lichtstrahlen treffen unmittelbar auf die Uärmeaufnahmeröhren in dem Zylinder auf und werden absorbiert. Andere Strahlen treffen dagegen auf den Spiegel und werden auf die Wärmeaufnahmerohre zurückfokussiert.Some of the incoming rays of light hit them directly U heat pick-up tubes in the cylinder and are absorbed. Hit other rays on the other hand on the mirror and are focused back on the heat absorption tubes.

Ein Teil der Strahlung wird gestreut und tritt aus dem Glaszylinder aus. Durch die Verdoppelung des zurückgebogenen Wärmeaufnahmerohres erstreckt sich dieses in einem Bereich von über 40 mm Tiefe in dem Claszylinder entlang der Hauptachse des konkaven Spiegels. Diese Tiefe macht es möglich, daß der obenliegende Abschnitt Streustrahlung abfängt.Part of the radiation is scattered and emerges from the glass cylinder the end. By doubling the bent back heat-absorbing tube extends this in an area of more than 40 mm depth in the clas cylinder along the main axis of the concave mirror. This depth makes it possible for the overhead section Intercepts scattered radiation.

Durch querschnittsverminderung des Zylinders verzögern die Wärmeaufnahmerohre die Streustrahlung und dienen als zusätzliche Isolierung in diesem Bereich. Um Streustrahlungsverluste weiter herabzusetzen, kann die Innenfläche des Zylinders vorzugsweise mit einer an sich bekannten, in einer Richtung lichtdurchlässigen Beschichtung versehen werden. Diese in einer Richtung durchlässige transparente Beschichtung ermöglicht, daß das Licht in einer Richtung in den Zylinder eintritt, jedoch nicht austritt. Diese 8eschichtung dient dann als zweite Reflexionsfläche, die eine Streustrahlung zurückwirft und in dem Sammler zurückhält.By reducing the cross-section of the cylinder, the heat absorption tubes are delayed the scattered radiation and serve as additional insulation in this area. About scattered radiation losses further reduce, the inner surface of the cylinder can preferably with a known per se, transparent coating are provided in one direction. This unidirectional transparent coating enables the Light enters the cylinder in one direction but does not exit. This layering then serves as a second reflection surface that reflects scattered radiation and in the collector holds back.

- ANSPRÜCHE - L e e r s e i t e- EXPECTATIONS - L e r s e i t e

Claims

CLAIMS Sun collector, characterized by one made of glass Sun camouflage tube with an evacuated outer cylinder jacket (8), the inner surface of which about half the circumference with a reflective mirror forming a concave mirror Coating is provided, and with one in the cylinder jacket by means of a Clasabstützung (24, 26) held in the focal plane of the concave mirror surface and with a blackening provided heat absorption pipe (12) for the circulation of a heat-storing Fluid.

2. Sun collector according to claim 1, characterized in that the Cylinder jacket of the collecting tube has a longer cylindrical main section, a sealed tapered neck section (16) for the entry and exit of the heat absorption line (12) and a tapered rounded end (20), and that the reflective Mirror surface over the length of the main cylindrical section of the cylinder jacket (8) extends.

3. Sun collector according to claim 2, characterized in that the Heat absorption line 02) through the tapered neck section (16) of the Cylinder jacket (8) enters the main section of the cylinder jacket via a bend, so that they are close to the mirror surface over the length of the main section of the cylinder jacket extends, and near its end substantially to the center of the cylinder jacket is bent back that the heat absorption line (12) in the cylinder in the plane the main axis of the concave mirror, and that the exit section is the entry section the heat absorption line is parallel and for the exit through the neck portion (16) of the cylinder is bent accordingly.

4. Sun collector according to claim 1, characterized in that the Glass support (24, 26) has three interconnected, branched sections, one of these sections (24) with the bend (13) of the circulation line (12) for the heat transfer medium and the ends of the other two sections (26) with opposite one another Wall parts (18) of the tapered end portion (20) of the cylinder jacket (8) connected are.

5. Sun collector according to claim 1, characterized by a reflective Coating made of aluminum.

6. Sun collector according to claim 1, characterized in that as Blackening agent of the heat absorption pipe (12) one on the line circulating black, opaque liquid is provided.

7. Sun collector according to claim 1, characterized in that for Blackening of the heat absorption line (12) a black surface coating of this Line is provided.

8. Sun collector according to claim 7, characterized in that the black coating is provided on the inner surface of the heat absorption line (12) is.

9. Sun collector according to claim 7, characterized in that the black coating is provided on the outer surface of the heat absorption line (12) is.

10. Sun collector according to claim 1 or 2, characterized in that that the surface adjoining the mirrored surface of the glass cylinder with a is coated in one direction translucent substance.