DE4007839A1

DE4007839A1 - Vakuum-kollektor fuer eine solaranlage

Info

Publication number: DE4007839A1
Application number: DE4007839A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Mueller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-03-12
Filing date: 1990-03-12
Publication date: 1991-09-19

Description

Die Erfindung betrifft einen Vakuum-Kollektor für eine Solaran lage mit einem Absorber zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärme, die mittels einer Wärmeträgerflüssigkeit aus dem Kollek tor abgeführt wird, und mit einem Gehäuse, das zumindest teil weise für die Sonnenstrahlung durchlässig ist.

Sonnenkollektoren absorbieren Sonnenenergie, um Wärme zu gewin nen, die zur Erwärmung insbesondere von Warmwasser oder zur Ge bäudeheizung verwendet wird. Der Wirkungsgrad, mit dem ein Son nenkollektor (Solaranlage) eingestrahlte Sonnenenergie in brauchbare Wärme umwandelt, wird unter anderem dadurch be grenzt, daß der Sonnenkollektor selbst Wärmeverluste aufweist, d. h. der Absorber des Kollektors gibt nicht nur Nutzwärme an die Wärmeträgerflüssigkeit ab (mit welcher z. B. das Brauchwas ser oder die Gebäudeheizung erwärmt wird), sondern verliert auch selbst Wärme an die Umgebung.

Im Stand der Technik sind deshalb Sonnenkollektoren bekannt, bei denen der Absorber in einem Vakuum angeordnet ist, um mög lichst wenig Wärmeenergie ungenutzt an die Umgebung abzugeben.

Der Stand der Technik kennt als sogenannte Vakuum-Kollektoren evakuierte, im Schnitt kreiszylinderförmige Röhren oder auch Vakuum-Flachkollektoren, bei denen die der Sonnenstrahlung zu gekehrten und die abgekehrten Flächen des Kollektors jeweils eben sind.

Die bekannten Vakuum-Röhren für Sonnenkollektoren haben den Nachteil, daß die Röhrenform eine ungünstige Lichtbrechung be dingt (es geht Sonnenstrahlung am Absorber vorbei). Weiterhin haben die bekannten Vakuum-Röhren mit kreisförmigem Querschnitt den Nachteil, daß Schnee schwer entfernbar ist und sich auch relativ lange auf der Kollektoroberfläche hält. Ein weiterer Nachteil solcher Vakuum-Kollektoren besteht darin, daß das Verhältnis der Absorberfläche zum Volumen des Kollektors rela tiv ungünstig ist.

Die bekannten Vakuum-Flachkollektoren mit zwei planparallelen Flächen haben den Nachteil, daß zur Stützung der Flächen des Gehäuses (Schutz gegen ein Implodieren des Kollektors aufgrund der Druckdifferenz außen/innen) eine Vielzahl von Stützstäbchen (bis zu 120 Stück pro Quadratmeter) zwischen der Vorder- und der Rückwand des Gehäuses angeordnet werden muß. Die Stäbchen durchdringen den Absorber, so daß eine beträchtliche Wärmelei tung über die Stäbchen erfolgt, was den Wirkungsgrad des Kol lektors reduziert.

Auch haben herkömmliche Vakuum-Flachkollektoren den Nachteil, daß eine Glasscheibe in einem Metallgehäuse abgedichtet werden muß, was hohe Herstellungskosten bedingt, aber trotzdem kein dauerhaftes Vakuum im Kollektor gewährleistet, so daß in regel mäßigen Abständen eine erneute Evakuierung des Kollektorgehäu ses erfolgen muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vakuum-Kollek tor für Solaranlagen zu schaffen, der die vorstehend genannten Nachteile nicht aufweist, also eine vereinfachte Entfernung von Schnee, ein günstiges Verhältnis der Absorberfläche zum Volumen des Kollektors, eine kostengünstige Herstellung und eine gute Stabilität des Kollektors ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Gehäuse auf seiner der Sonnenstrahlung zugekehrten Seite eben oder schwächer gekrümmt ist als auf seiner der Sonnenstrahlung abgekehrten Seite.

Eine andere erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe sieht ebenfalls vor, daß das Gehäuse nicht kreiszylinderförmig ist, wobei es auf seiner der Sonnenstrahlung zugekehrten Seite und auf seiner der Sonnenstrahlung abgekehrten Seite jeweils eine gebogene, insbesondere halbrunde oder halbelliptische Form hat.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt, bzw. zeigen:

Fig. 1-5 jeweils Schnitt durch unterschiedliche Ausfüh rungsformen von Vakuum-Kollektoren;

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines Vakuum- Kollektors;

Fig. 7 eine Aneinanderreihung einer Vielzahl erfin dungsgemäßer Vakuum-Kollektoren;

Fig. 8 eine Anorndung von erfindungsgemäßen Gehäusen für Vakuum-Kollektoren;

Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Vakuum- Kollektors in perspektivischer Darstellung und

Fig. 10 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbei spiel eines Vakuum-Kollektors.

Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch ein erstes Ausführungs beispiel eines Vakuum-Kollektors im Schnitt, wobei in Fig. 1 die auf den evakuierten Kollektor wirkenden Kräfte mit Pfeilen dargestellt sind. Der Vakuum-Kollektor weist ein Gehäuse 10 auf, dessen der Sonnenstrahlung zugekehrten Seite 12 eben ist, während die der Sonnenstrahlung abgekehrte Seite 14 gekrümmt ist. Der erfindungsgemäße Vakuum-Kollektor weicht also von der im Stand der Technik bekannten Form eines kreiszylindrischen Querschnittes oder auch einer reinen Flachform ab. Im evakuier ten Innenraum 20 des Vakuum-Kollektors 10 ist ein als solches bekannter Absorber 16 mit einem Rohr 18 für Wärmeträgerflüssig keit angeordnet. Die vom Absorber 16 aus eingestrahlter Sonnen energie gewonnener Wärme wird über die Wärmeträgerflüssigkeit zu einem Verbraucher (nicht gezeigt) abgeführt.

Die in den Fig. 1 bis 8 gezeigte Formgebung des Vakuum-Kol lektors 10 ermöglicht die Herstellung einer ebenen Oberfläche der gesamten Solaranlage, so daß Schnee in einfacher Weise ent fernt werden kann und sich nicht in Vertiefungen verfängt.

Die in Fig. 1 gezeigten Kräfte K_o wirken auf die der Sonnen strahlung zugekehrten Seite 12 des Kollektors 10. Die Kräfte K_u wirken auf die der Sonnenstrahlung abgekehrte Seite 14 des Kol lektors. Die Begriffe "zugekehrt" und "abgekehrt" beziehen sich auf die jeweilige optimale Ausrichtung des Kollektors in bezug auf die Sonne unter den gegebenen Umständen, also z. B. auf die Strahlungsrichtung der Sonne im Zenit.

Die auf das Gehäuse 10 wirkenden, in Fig. 1 schematisch gezeig ten Kräfte K_o und K_u werden durch die Formgebung des Gehäuses weitestgehend aufgefangen. Aufgrund der Kräfte K_u wird die Unterseite 14 des Gehäuses 10 bestrebt sein, sich zu strecken. An einer solchen Streckung ist das Gehäuse aber durch die gerade Oberseite 12 gehindert. Andererseits bewirken die auf die Unterseite 14 wirkenden Kräfte K_u eine Streckwirkung in Bezug auf die Oberseite 12 des Gehäuses, so daß die Kräfte K_o daran gehindert sind, eine Implosion der geraden oder nur leicht gekrümmten Oberseite 12 zu bewirken. Das Gehäuse 12 hat deshalb eine relativ gute Stabilität, da sich die von außen nach innen gerichteten Kräfte teilweise kompensieren.

Die Fig. 3 und 4 zeigen Abwandlungen des Ausführungsbeispiels eines Vakuum-Kollektores gemäß Fig. 2.

Nach Fig. 3 ist im Gehäuse 10 auf dessen der Sonnenstrahlung abgekehrter Seite 14 eine zusätzliche Isolierung 26 aus z. B. Glaswolle oder dergleichen angeordnet.

Beim Ausführungsbeispiel eines Vakuum-Kollektors gemäß Fig. 4 ist die der Sonnenstrahlung zugekehrte Seite des Gehäuses 10 als Sammellinse ausgebildet, so daß die Sonnenstrahlung in Richtung auf den Absorber 16 gebündelt wird, um den Wirkungs grad des Kollektors zu verbessern. Hierzu sind die Außenfläche 12 des Gehäuses und eine Innenfläche 24 jeweils konvex gebogen und im zwischen diesen Flächen gebildeten Raum 22 befindet sich ein Medium mit einer Brechzahl, die eine Brechung der Strahlen in Richtung auf den Absorber 16 bewirkt.

In Fig. 5 ist die Wandung des Gehäuses 10 im Unterschied zu den Fig. 1 bis 4 nicht schematisch, sondern vergrößert dargestellt, um eine Stabilisierungseinlage aus einem umlaufenden Draht 28 zeigen zu können. Der in das Material der Gehäusewandung einge lassene Draht 28 stabilisiert die flache Oberseite 12 des Kollektors und die gekrümmte Unterseite 14 sowie deren Verbin dungsnaht.

Fig. 6 zeigt einen Kollektor entsprechend den Fig. 1 bis 5 in perspektivischer Darstellung.

Gemäß Fig. 7 können eine Vielzahl von Gehäusen 10 Seite an Sei te angeordnet werden und die ebenen oder nur geringfügig ge krümmten (Fig. 4) Oberseiten 12 (welche der Sonneneinstrahlung zugekehrt sind) bilden eine durchgehende, im wesentlichen ebene Fläche, auf der sich kein Schnee sammeln kann und die auch an sonsten gut reinigbar ist.

Fig. 8 zeigt eine Abwandlung eines Vakuum-Kollektors, bei dem ähnlich dem Beispiel gemäß Fig. 7 mehrere Gehäuse 10 langge streckt nebeneinander Seite an Seite angeordnet sind, um eine durchgehende obere, der Sonnenstrahlung zugekehrte Fläche zu bilden. In Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 7 sind aber bei Fig. 8 keine Absorber 16 in den einzelnen Gehäu sen 10 angeordnet, sondern ein Absorber 16 ist in einem Kasten 30 angeordnet, dessen Oberseite durch die einzelnen Gehäuse 10 gebildet wird. Auf der der Sonnenstrahlung abgekehrten Seite des Kastens 30 ist eine weitere Isolierung 32 aus Glaswolle oder dergleichen angeordnet. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet in allen Figuren jeweils einen evakuierten Hohlraum.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 ist das Gehäuse 10′ eben so wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 bis 8 wiederum nicht kreiszylinderförmig, aber in Bezug auf eine zum Absorber parallele Mittelebene des Gehäuses symmetrisch. Auf der der Sonnenstrahlung zugekehrten Seite 12′ sowie auf der der Sonnenstrahlung abgekehrten Seite 14′ ist das Gehäuse 10′ je weils in gleicher Weise gebogen, insbesondere halbelliptisch, wie in Fig. 9 gezeigt, oder auch gemäß Kreissegmenten, wie in Fig. 10 gezeigt ist.

Bei allen Ausführungsbeispielen können jeweils Stabilisierungs drähte in den Vakuum-Kollektor eingebaut sein. Fig. 9 zeigt Stabilisierungsdrähte 40, die in der Mittelebene des Kollektor- Gehäuses 10′ verlaufen und gegenüberliegende Seiten verbinden. Die gegenüberliegenden Seiten unterliegen aufgrund des äußeren Luftdruckes einer besonderen Beanspruchung in Richtung der Pfeile P₁, P₂ (Fig. 9), welche durch Zug an den Stabilisie rungsdrähten 40, 40′ und 40′′ aufgefangen wird.

Claims

1. Vakuum-Kollektor für eine Solaranlage mit einem Absorber (16) zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärme, die mittels einer Wärmeträgerflüssigkeit aus dem Kollektor abgeführt wird, und mit einem Gehäuse (10), das zumindest teilweise für die Sonnenstrahlung durchlässig ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) auf seiner der Sonnenstrahlung zugekehrten Seite (12) eben oder schwächer gekrümmt ist als auf seiner der Sonnenstrahlung abge kehrten Seite (14).

2. Vakuum-Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) auf seiner der Sonnenstrahlung abgekehrten Seite (14) halbrund ist.

3. Vakuum-Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuase (10) auf seiner der Sonnenstrahlung abgekehrten Seite (14) halbel liptisch ist.

4. Vakuum-Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) auf seiner der Sonnenstrahlung abgekehrten Seite (14) halboval ist.

5. Vakuum-Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) auf seiner der Sonnenstrahlung zugekehrten Seite (12) eben und auf seiner der Sonnenstrahlung abgekehrten Seite (14) gekrümmt ist.

6. Vakuum-Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) auf seiner der Sonne zugekehrten Seite (12) gerundet ist.

7. Vakuum-Kollektor für eine Solaranlage mit einem Absorber (16) zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärme, die mittels einer Wärmeträgerflüssigkeit aus dem Kollektor abgeführt wird und mit einem Gehäuse (10′), das zumindest teilweise für die Sonnenstrahlung durchlässig ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10′) nicht kreiszylinderförmig ist und auf seiner der Sonnenstrah lung zugekehrten Seite (12′) und auf seiner der Sonnenstrahlung abgekehrten Seite (14′) jeweils eine gebogene, insbesondere halbrunde oder halbelliptische Form hat.

8. Vakuum-Kollektor nach einem der Ansprüch 1 bis 4 oder 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die der Sonnen strahlung zugekehrte Seite (12, 12′) des Gehäuses (10, 10′) so gestaltet ist, daß die Sonnenstrahlung auf dem Kollektor (10) gebündelt wird.

9. Vakuum-Kollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (10) auf seiner der Sonnenstrahlung abgekehrten Seite (14) eine Iso lierung (26) vorgesehen ist.

10. Vakuum-Kollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (10) eine langgestreckte Form hat, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest quer zur Längsrichtung des Gehäuses (10′) Stabilisierungsdrähte (40) ge genüberliegende Seiten des Gehäuses verbinden.

11. Vakuum-Kollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand des Gehäuses (10) mehrere Stabilisierungsdrähte (28) eingelassen sind.

12. Vakuum-Kollektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisie rungsdrähte sich über den gesamten Umfang des Kollektors er strecken.

13. Vakuum-Kollektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gehäuse (10) nebeneinander so angeordnet sind, daß ihre der Sonnen strahlung zugekehrten Seiten (12) in einer Ebene liegen (Fig. 7, Fig. 8).