DE2842703A1

DE2842703A1 - Solarkollektor

Info

Publication number: DE2842703A1
Application number: DE19782842703
Authority: DE
Inventors: William E Tragert
Original assignee: NPD ENERGY SYSTEMS
Current assignee: NPD ENERGY SYSTEMS
Priority date: 1977-10-07
Filing date: 1978-09-30
Publication date: 1979-04-12
Also published as: GB2005823A; IT1100308B; ES474008A1; US4153042A; ZA785662B; BR7806642A; JPS5462538A; IT7828523A0; NL7810108A; AU4049078A; IL55629A0; FR2405445A1

Description

PATE NTAN WALTE

DIpl.-lng. P. WIRTH · Dr. V. SCHMIED-KOWARZIK Dlpl.-lng. G. DANNENBERG · Dr. P. WEINHOLD · Dr. D. .GUDEL

281134 j GR. ESCHENHEIMER STa

287014 "H" " 6000 FRANKFURTAM MAIN t

TELEFON: C0611) (J, _

Case NPD-1326

29. Sept. 1978
PW/Ar

NPD Energy Systems, Inc. 1455 Research Boulevard Rockville, Maryland 20850, U.S. A.

Solarkollektor

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten Solarkollektor.

In den letzten Jahren entstand ein erhöhtes Interesse an Heiz- und Luft-Konditionierungssystemen, bei denen Sonnenenergie verwendet wird. Dies ist mindestens teilweise auf die weltweite Energieknappheit zurückzuführen, da das Ziel der Verwendung von Sonnenenergie eben darin besteht, die von der Natur und überreichlich durch die Sonne gelieferte Energie vorteilhaft anstelle herkömmlicher Brennstoffe zu verwenden. Bei einem typischen Solar-Heizsystem wird ein durch das System strömendes Medium durch die Sonnenstrahlung erhitzt. Es sind schon zahlreiche Solar-Heizsysteme vorgeschlagen worden, und viele solche sind im Handel verfügbar.

Der Solarkollektor ist derjenige Teil des Heizsystems, der die Sonnenstrahlen auf das in dem Kollektor strömende Medium konzentriert. Zwar ist es wichtig, dass der Solarkollektor einen so grossen Wirkungsgrad als möglich besitzt, ist es aber auch häufig ebenso wichtig, dass die Herstellungskosten und der Verkaufspreis des Solarkollektors verhältnismässig gering sind, wenn die Verwendung der Solarenergie im Vergleich mit der Verwendung herkömmlicher Energieträger wirtschaftlich sein soll. Es ist bekannt, dass die schon bekannten Solarkollektoren nicht immer eine wirtschaftliche Alternative zu den herkömmlichen Energien geliefert haben.

Ferner hat sich als erhebliche Ursache eines schlechten Wirkungsgrades von Solarkollektoren bekannter Bauart der Wärmeverlust durch Konvektion erwiesen. Weitere bei den bekannten Solarkollektoren in unterschiedlichem Ausmass

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aufgetretene Schwierigkeiten liegen in der mechanischen Schwäche des Aufbaus des Absorptionsorgans, seiner Verformung oder seines Sichverziehens, ferner in chemischem Abbau der Überzüge der Gehäuse oder Oberflächen des Absorptionsorgans. Demgemäss ist es erwünscht, eine Bauweise zu schaffen, durch die diese Schwierigkeiten behoben werden.

Die Erfindung bezweckt daher,einen im Betrieb mit gutem Wirkungsgrad arbeitenden Solarkollektor zu schaffen, der dennoch zu verhältnismässig geringen Kosten hergestellt und zu verhältnismässig geringem Preis verkauft werden kann.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Solarkollektorkonstruktion zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad mit sich bringt, die derb und kräftig ist, und die einen vieljährigen Betrieb ohne Ausfall und ohne Anfall von Reparaturen erlaubt.

Diese Ziele der Erfindung werden durch eine neue Konstruktion eines Solarkollektors erreicht, bei der handelsüblich verfügbare Teile verwendet werden, welche Ersparnisse bei der Herstellung mit sich bringen. Insbesondere sieht die Erfindung eine Mehrzahl von einzeln für sich mit je einem Überzug versehener Absorptionsrohre, vorzugsweise aus Kupfer, vor, von denen jedes innerhalb eines auf dem Markt verfügbaren transparenten Aussenrohres, vorzugsweise aus Glas, angebracht ist, das nach Art der Rohre ausgebildet ist, die als Lichtquellen für Fluoreszenzlicht verwendet werden. Die transparenten Rohre sind hermetisch abgeschlossen und über einen beträchtlichen Teil ihres Umfangs mit einem reflektierenden Überzug versehen, derart, dass die Solarenergie auf das Absorptionsrohr reflektiert wird.

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Ausserdem ist das Absorptionsrohr in einem Zwischenrohr eingeschlossen, das gleichfalls vorzugsweise aus Glas besteht und das einen etwas grösseren Durchmesser als das Absorptionsrohr besitzt. Das Zwischenrohr hat die Wirkung, dass es vom Absorptionsrohr erhitzte Luft daran hindert, von diesem Rohr wegzuströmen, so dass Wärmeverlust durch Konvektion und Leitung auf ein Minimum herabgesetzt wird. Weiterhin liefert das Zwischenrohr konstruktive Vorteile und isoliert das mit einem Überzug versehene Absorptionsrohr chemisch von dem an dem Aussenrohr befindlichen reflektierenden Überzug, wodurch chemischer Abbau der Überzüge und/oder des Absorptionsrohres verhindert wird.

Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise anhand der Zeichnungen beschrieben, und zwar zeigen:

Fig. 1 ein Schaubild eines Solarkollektors nach der Erfindung;

Fig 2 eine - zum Teil aufgeschnittene - Draufsicht auf ein einzelnes rohrförmiges Kollektorelement des Solarkollektors;

Fig* 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 2, und Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 der Fig. 2.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass ein Solarkollektor 1 aus einer Vielzahl von rohrförmigen Kollektorelementen 6 (Sammel elementen) besteht, die in einem Kollektor rahmen montiert sind. Der Kollektorrahmen 2 ist aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium, hergestellt und besitzt Seitenschienen 25, Stirnendkappen 4 und eine Rückendeckplatte 26,

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Wie nachstehend mehr im einzelnen beschrieben wird, enthält jedes der Kollektorelemente ein Absorptionsrohr aus Metall, das innerhalb eines äusseren transparenten Rohres und eines transparenten Zwischenrohres angebracht ist; die Aussenrohre sind in Fig. 1 dargestellt. Eine Verbindung aller Absorptionsrohre wird mit einem Sammelanschlussrohr gemäss Fig. 1 hergestellt, in der auch der Einlass 8 und der Auslass 9 des Sammelanschlussrohres dargestellt ist.

Im Betrieb wird der Kollektor auf einem Dach oder an einer sonst geeigneten Stelle im gewünschten Winkel zum Einfall der Sonnenstrahlen montiert; Wasser oder ein Sonstiges strömendes Medium wird in das Sammelanschlussrohr am Einlass 8 eingespeist. Nach Erhitzung in den Absorptionsrohren tritt das heisse strömende Medium aus dem Auslass 9 des Sammelanschlussrohres aus und wird zu der Vorrichtung befördert, in der das Medium angewendet bzw. ausgenutzt wird, in der Regel ein Heizsystem oder eine Klimaanlage bzw. ein System zur Konditionierung von Luft.

Die rohrförmigen Kollektorelemente sind im einzelnen und in grösserem Maßstab in den Fig. 2 und 4 dargestellt. Gemäss Fig. 2 besitzt jedes der Kollektorelemente ein transparentes äusseres Rohr 15, ein Absorptionsrohr 11 aus Metall, das das zu erhitzende Medium führt, und ein transparentes Zwischenrohr 13, das das Absorptionsrohr 11 umschliesst. Die transparenten Rohre bestehen vorzugsweise aus 008-Natrium-Glas, und das Absorptionsrohr besteht vorzugsweise aus Kupfer. Das Aussenrohr ist an beiden Enden hermetisch mittels aus Metall bestehender Endkappen 21 verschlossen, die an dem Rohr mittels starrer Verschlussteile 20 befestigt und abgedichtet sind; diese Verschlussteile sind vorzugsweise aus

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Epoxyharzkleber hergestellt, der zwischen je eine· der Kappen 21 und je eine Lippe 27 des Rohres 15 eingebracht ist. Zwar können die Abmessungen der Rohre so verändert werden, dass sie Anwendungen im Einzelfall angepasst sind; bei einer tatsächlich gebauten Ausführungsform betrug die Abmessung jedes der rohrförmigen Elemente 5,08 cm χ 142 cm.

Die Aufgabe des Solarkollektors besteht darin, soviel Solarenergie wie möglich auf das Absorptionsrohr 11 zu konzentrieren, um das darin strömende Medium mit hohem Wirkungsgrad zu erhitzen. Im Hinblick auf diese Aufgabe ist das Absorptionsrohr mit einem schwarzen Überzug versehen, der ein hohes Absorptionsvermögen und ein geringes Emissionsvermögen hat, so dass die auf das Rohr einfallende Infrarot-Energie verschluckt bzw. zurückgehalten wird. Ausserdem ist das Aussenrohr 15 mit einem reflektierenden bzw. spiegelnden Überzug 30 (Fig. 3) rund um annähernd die Hälfte seines Umfanges versehen, durch den die Solarstrahlung auf das Absorptionsrohr 11 zurückgeworfen wird. Zwar kann eine Vielzahl spezieller absorbierender Überzüge verwendet werden, ist aber nach der Erfindung entweder schwarzer Chromoxid-Überzug oder Kupferoxid-Überzug für das Absorptionsrohr zu bevorzugen, während für das Aussenrohr vorzugsweise eine versilberte Oberschicht bei dem reflektierenden Überzug zu bevorzugen ist.

Aus den Fig. 2 und 3 ist ersichtlich, dass das Absorptionsrohr 11 entlang dem grösseren Teil 12 seiner Länge zu einer annähernd elliptischen Gestalt zusammengedrückt wird. Der zusammengedrückte Teil 12 liegt zwischen Übergangsteilen 26 und 27; er kann mit jedem dem Fachmann bekannten Hilfsmittel so geformt werden, z.B. indem man das kreisrunde Rohr zwischen zwei Walzen oder Rollen hindurchgehen lässt, deren Abstand von Oberfläche zu

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Oberfläche kleiner als der Durchmesser des Rohres ist. Der elliptische Querschnitt wird zu dem Zweck hergestellt, das Rohr in die Lage zu versetzen, einen grösseren Anteil der von dem Überzug 30 reflektierten-Strahlung aufzufangen. Wenn der Kollektor in das Sonnenlicht eingebracht wird, so empfängt, wie Fig. 3 zeigt, der Kollektor direkte Strahlung an seinem Oberteil 31 und reflektierte Strahlung an den gegeneinander gedrückten Seitenteilen 32.

Es ist zu erkennen, dass es die Rohrkonstruktion des Kollektors erlaubt, auf dem Markt befindliche Bauteile zu seiner Herstellung zu verwenden; hieraus ergeben sich Ersparnisse für seine Herstellung und ergibt sich demzufolge eine Verringerung des auf diese Weise erzielbaren Verkaufspreises. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass das Kupfer-Absorptionsrohr und das innere Glasrohr auf dem Markt verfügbare Gebrauchsgüter sind und das für die äusseren Glasbehälter bzw Glasrohre Fluoreszenzlicht erzeugende Rohre vorteilhaft verwendbar sind, die gleichfalls handelsüblich zur Verfügung stehen.

Gemäss dem Haupt aspekt der Erfindung ist ein transparentes Zwischenrohr 13 vorgesehen, das das Absorptionsrohr 11 umschliesst. Wie vorstehend ausgeführt, besteht das Rohr 13 vorzugsweise aus Glas und hat einen nur wenig grösseren Durchmesser als das Absorptionsrohr.

Das Zwischenrohr 13 ist etwas langer als das Aussenrohr 15 und ist in in den Endkappen 21 vorgesehenen Löchern aufgehängt.

Wie Fig. 4 zeigt, ist das Rohr 13 an den Endkappen mittels je eines starren Verschlußstücks 33 befestigt, das vorzugsweise aus Epoxyharzkleber besteht. Das Kupferrohr 11 ist etwas langer als das Zwischenrohr 13 und ist an seinen Enden in dem Rohr 13 mittels je eines Abschlußstücks 22

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gehaltert. Etwa in der Mitte der Rohre werden die Rohre

11 und 13 durch ein 0-ringförmiges Abstandsstück·14 voneinander getrennt gehalten. Da sich die Länge des Kupferrohres bis zu 2,54 mm bei Änderungen der Temperatur ändern kann, müssen die Abschlußstücke 22 so elastisch sein, dass sie beträchtliche Längenänderungen zulassen, ohne dass eine mechanische Beschädigung des Kollektors eintritt« Ausserdem müssen die Abschlußstücke einen gegen Durchtritt von Medien dichten Abschluss bilden, so dass in die Rohrkonstruktion Feuchtigkeit, die den Überzug des Absorptionsrohres 11 abbauen könnte, nicht eintritt. Wie dem Fachmann bekannt, kann zu diesem Zweck eine Vielzahl spezieller Werkstoffe für die AbSchlußstücke 22 verwendet werden; bevorzugt ist Silikonkautschuk.

Die Zwischenrohre 13 haben verschiedene Aufgaben. Am wichtigsten ist die Wirkung jedes der Zwischenrohre, eine Abströmung der erhitzten Luft vom zugehörigen Absorptionsrohr 11 weg zu verhindern,um dadurch Wärmeverluste durch Konvektion und Leitung herabzusetzen sowie den Wirkungsgrad des Kollektors zu erhöhen.

In zweiter Linie ist ersichtlich, dass jedes der Rohre 13 eine Tragkonstruktion für das zugehörige Absorptionsrohr

12 schafft, die sonst nicht vorhanden ist und die eine vereinfachte Herstellung und längere maximale Lebensdauer des Aggregats mit sich bringt. Zum Beispiel kann das Absorptionsrohr 11, 12 recht lang sein und würde sich dann, wäre das zugehörige Zwischenrohr 13 nicht vorhanden, zufolge von Temperaturänderungen verziehen oder verformen. Da das Rohr 13 das zugehörige Absorptionsrohr umgibt, begrenzt es mittels des Abstandsrings 14 eine mögliche Ausbiegung oder Verformung des Absorptionsrohres. Um die Wärmeübertragung auf das strömende Medium zu erhöhen, kann es erwünscht sein, für das Absorptionsrohr 1ί sehr dünnes Kupfer zu verwenden. Ein solches Kupferrohr hätte in grösserem Maße als ein dickeres Kupferrohr die Neigung

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sich zu verziehen; die Verwendung des Zwischenrohres 13 und des Abstandsringes 14 erlaubt somit, für das Absorptionsrohr eine dünnere Kupferwand zu verwenden und bringt ausserdem einen höheren Wirkungsgrad sowie geringere Herstellungskosten für den Kollektor mit sich.

An dritter Stelle ist unter den Aufgaben des Zwischenrohrs 13 die Aufgabe zu nennen, eine chemische Isolierung des überzogenen Kupfers des Absorptionsrohres von dem reflektierenden Überzug an der Innenseite des Aussenrohrs 15 herzustellen. Wäre das Zwischenrohr nicht vorhanden, so könnten der reflektierende Überzug und der Überzug des Kupfers (oder das Kupferrohr selbst) miteinander reagieren und könnte dadurch entweder der reflektierende Überzug oder der Überzug des Kupferrohrs (bzw. das Kupfer selbst) abgebaut werden.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, besitzt die Endkappe 21 ein kleines Loch 28, das durch ein kleines Stück von Lotmasse 29 geschlossen ist. Dieses Loch dient während der Herstellung der rohrförmigen Elemente dazu, Arbeitsgänge der Druckverminderung oder des Trocknens durchzuführen; nach deren Fertigstellung wird das Loch geschlossen.

Der in Fig. 1 gezeigte Kollektorrahmen 2 ist so ausgebildet, dass Schattenerzeugung an dem Netzwerk von Absorptionsrohren auf ein Minimum herabgesetzt wird. Bei einer ausgeführten Ausführungsform beträgt die Netto-Kollektorflache 87 % der Brutto-Kollektorflache, und dabei tritt eine Beschattung oder Verringerung der Netto-Kollektorfläche um 2 % bei einem Lichteinfallswinkel von 45° in jeder Richtung auf. Die verwendete Isolierung des Sammelanschlussrohrs besteht aus Polyurethan-Isocyanat-Schaum; zufolge der Verwendung hermetisch abgedichteter rohrförmiger Bauelemente ist eine Isolation des Raumes zwischen der Hinterseite des Netzwerks von Absorptionsrohren und dem Rahmen nicht erforderlich.

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Bei einem tatsächlich gemäss der Erfindung gebauten Solarkollektor hat sich nach den Prüfvorschriften und Kennzahlen des National Bureau of Standards (NBSlR 74-635) ein Wirkungsgrad von 50 bis 60 % herausgestellt. Hinzu kommt, dass zufolge der parallelen Anordnung der reflektierend bzw. spiegelnd ausgebildeten Rohre ein Satz bzw. eine Reihe von Kollektorelementen bei der Fabrikation gedreht und auf einen festen Winkel eingestellt werden kann, bei dem ein optimaler oder maximaler Betrag an Sonnenstrahlung absorbiert wird und der Aufnahmewinkel der Rohre so gross ist, dass eine jahreszeitlich veränderliche Einstellung des Schwenkwinkels des Kollektors nicht erforderlich ist.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern umfasst alle ihre in der Technik möglichen Ausführungsformen im Umfange der nachstehenden Ansprüche.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Solarkollektor, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Gehäuse (2, 4) aufweist, in dem eine Mehrzahl von rohrförmigen KoIlektoraggregaten (6) angebracht und Mittel (9, 11, 13) zur Führung der Strömung einer zu erhitzenden Flüssigkeit durch die Kollektoraggregate hindurch vorgesehen sind, dass ferner die Kollektoraggregate aus je einem langgestreckten, transparenten zylindrischen Aussenrohr (15), je einem langgestreckten, transparenten zylindrischen Innenrohr (13), dessen Durchmesser wesentlich geringer als der Durchmesser des Aussenrohrs ist und das innerhalb des Aussenrohres exzentrisch zu diesem angebracht ist, und je einem langgestreckten Absorptionsrohr (11) aus Metall bestehen, das innerhalb des transparenten Innenrohrs gelagert ist und sich durch dieses hindurch erstreckt, und dass das Aussenrohr jeweils an seiner inneren Oberfläche und über im wesentlichen seine ganze Länge hinweg einen reflektierenden bzw. spiegelnden Überzug besitzt, der sich nicht mehr als über die Hälfte seines Umfangs erstreckt.
2. Solarkollektor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Durchmessers des transparenten Innenrohrs (13) zum Durchmesser des Absorptionsrohres (11) im wesentlichen kleiner als das Verhältnis des Durchmessers des äusseren transparenten Rohrs (15) zum Durchmesser des inneren transparenten Rohrs (13) ist.
3. Solarkollektor nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionsrohr (11) einen Licht-absorbierenden Überzug rund um seinen ganzen Umfang herum aufweist.

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4. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass das äussere (15) transparente Rohr und das innere transparente Rohr (13) aus Glas und das Absorptionsrohr (11) aus Kupfer bestehen.
5. Solarkollektor nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, dass das Kupferrohr (11) entlang mindestens des grösseren Teils seiner Länge auf einen annähernd elliptischen Querschnitt zusammengedrückt ist.
6. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Absorptionsrohr (11) und dem inneren transparenten Rohr (13) ein oder mehrere Abstandsstücke (14) angeordnet sind.
7· Solarkollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das äussere transparente Rohr (15) an jedem seiner Enden mittels je einer Stirnendkappe (21) verschlossen ist, die an dem Rohr mittels eines starren VerschlußStückes (20) befestigt ist und je ein Loch (bei 22) aufweist, dass ferner das innere transparente Rohr (13) an jedem seiner Stirnenden durch je eines dieser Löcher hindurchragt und mit den Stirnendkappen mittels je eines starren Verschlußstückes (33) fest verbunden ist, und dass das Absorptionsrohr (11) sich durch das zugehörige innere transparente Rohr (13) hindurch erstreckt und an diesem an jedem seiner Enden mittels je eines elastischen Abschlußstückes (22) derart verbunden ist, dass es sich bei Änderungen der Temperatur ausdehnen und zusammenziehen kann, ohne dass eine mechanische Beschädigung des Kollektors verursacht wird.

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8. Solarkollektor nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass die starren Verschlußstücke (20, 33) aus Epoxyharzkleber bestehen und das elastische AbschlußstUck (22) aus Silikonkautschuk besteht.
9. RohrfÖrmiges Heizelement zur Verwendung bei einem Solarkollektor, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem ersten transparenten, langgestreckten zylindrischen Aussenrohr (15) mit einem ersten Durchmesser, aus einem zweiten langgestreckten Absorptionsrohr (11) aus Metall mit einem zweiten Durchmesser, der wesentlich kleiner als der erste Durchmesser ist und das in dem Aussenrohr angebracht ist, und aus einem dritten langgestreckten, transparenten zylindrischen Zwischenrohr (13) besteht, dessen Durchmesser zwischen dem oben genannten ersten Durchmesser und dem oben genannten zweiten Durchmesser liegt und das innerhalb des Aussenrohres angebracht ist, während das aus Metall bestehende Absorptionsrohr (11) innerhalb des Zwischenrohres angebracht ist.

Der Patentanwalt: Dr.[B. Gudel

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