CH620982A5

CH620982A5 - Solar-energy collector

Info

Publication number: CH620982A5
Application number: CH54877A
Authority: CH
Inventors: Yu Kun Pei
Original assignee: Owens Illinois Inc
Priority date: 1976-01-26
Filing date: 1977-01-17
Publication date: 1980-12-31
Also published as: JPS57198959A; FR2339819B1; ES454627A1; BE850757A; IL50978A0; MX145456A; NL7614466A; IT1082665B; FR2339819A1; JPS6032092B2; IE44859L; IE44859B1; GB1575031A; DK567276A; LU76608A1; JPS5292143A; IL50978A; BR7700413A; ZA7722B

Description

Vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Sonnenenergiekollektor.

Bei bekannten Ausbildungen - vergleiche z.B. die US-PS 3 952 724 - besteht ein inneres, die einfallende Sonnenenergie absorbierendes Rohr aus Metall, ein Hüllrohr dagegen aus Glas. 55 Es ergeben sich dabei Schwierigkeiten bezüglich der gegenseitigen Abdichtung dieser Rohre, die ja wegen ihren verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten und der grossen Temperaturunterschiede, die im Betrieb auftreten, sich verschieden stark ausdehnen. Es ist deshalb praktisch unmöglich, im Zwischen- 60 räum zwischen den Rohren ein Vakuum aufrecht zu erhalten, welches erforderlich ist, um Wärmeverluste nach aussen auf ein Minimum zu reduzieren.

Diesen Schwierigkeiten will die Erfindung begegnen, und zwar durch eine Ausbildung wie sie im Patentanspruch 1 65

umschrieben ist.

Inbezug auf weitere Besonderheiten von Ausführungsformen wird auf die Ansprüche 2-7 hingewiesen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, welche die Anordnung eines Sonnenenergiekollektors auf einem Hausdach veranschaulicht,

Fig. 2 einen Aufriss, teilweise im Schnitt, eines Kollektorgliedes,

Fig. 3 eine explodierte Perspektivansicht, welche teilweise im Schnitt, eine Ausführungsform des Sonnenenergiekollektors veranschaulicht, bei welcher Kollektoreinzelglieder auf beiden Seiten eines Verbindungsgliedes angeordnet sind,

Fig. 4 einen Teilschnitt eines Abschnittes des Verbindungsgliedes, das in der Ausführungsform der Fig. 3 vorhanden ist,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Endkappe, die zur Abstützung des inneren Endes des mit dem Absorptionsbelag versehenen Zwischenrohres am entsprechenden Ende des äusseren Hüllrohres dient,

Fig. 6 eine Stirnansicht eines Kollektoreinzelgliedes, teilweise im Schnitt nach der Linie 6-6 der Fig. 2,

Fig. 7 einen Aufriss eines Kollektoreinzelgliedes, das zu einer zweiten Ausführungsform gehört, teilweise im Schnitt,

und

Fig. 8 eine Einzelheit aus Figur 7 im grösseren Massstab. Die Fig. 1 veranschaulicht eine typische Anordnung eines erfindungsgemässen Sonnenenergiekollektors an einem Gebäude, z.B. einem Wohnhaus 10. Auf der am meisten der Sonne zugewendeten Seite des Daches 11 sind mehrere Kollektoreinheiten 12 angebracht. Es bleibt dem Bauingenieur bzw. dem Architekten überlassen, wie viele solcher Einheiten im besondern Fall angebracht werden sollen bzw. werden können.

Eine Einheit des Sonnenenergiekollektors ist im einzelnen in Fig. 3 veranschaulicht. Diese Baueinheit weist ein zentrales, längsverlaufendes Verbindungsglied auf, von dem in Fig. 3 nur ein Abschnitt 13 gezeigt ist, und das sich in Gebrauchslage nach Fig. 1 längs der Fallirne des Daches 1 erstreckt. An beiden Seiten des Verbindungsgliedes 13 sind in Reihenanordnung mehrere Kollektorglieder 14 angeschlossen, und zwar durch Einstecken in seitliche Öffnungen 15, die an den gegenüberliegenden Seitenflächen bzw. Wandungen 16 und 17 des Verbindungsgliedes 13 vorgesehen sind. Im Innern des Verbindungsgliedes 13 erstrecken sich in Längsrichtung Kanäle 18 und 19 an diesen Öffnungen 15 vorbei. Zwischen den Kanälen 18 und 19 und von ihnen durch zu den Seitenwänden parallele Trennwände 21 und 22 abgetrennt, erstreckt sich ein zentraler Kanal 20. Die Trennwände 21 und 22 haben Öffnungen 23, die auf zugeordnete Öffnungen 15 koaxial ausgerichtet sind.

Das Verbindungsglied 13 ist in einen Fluidkreislauf eingesetzt, zu dem ein Leitungsrohr 24 mit oberem Kanal 25 und unterem Kanal 26 und ein Wärmeaustauscher WA gehören. Der Kanal 25 leitet das verhältnismässig kühle Fluid, das z.B. aus Wasser, Luft od. dgl. bestehen kann, und führt es dem mittleren Kanal 20 des Verbindungsgliedes durch aufeinander ausgerichtete Öffnungen 39 und 27 in der Seitenwand 24a des Leitungsrohres bzw. der Stirnwand 28 des Verbindungsgliedes hindurch zu. Wobei das Leitungsrohr 24 an dieser Stirnwand 28 mittels Schrauben 30 angebracht ist unter Einfügung einer Dichtungsplatte 29. Durch aufeinander ausgerichtete Öffnungen 32 und 33 in der Leitungsrohrseitenwand 24 und 34 und 35 in der Stirnwand 28 sind die Kanäle 18 und 19 mit dem Kanal 26 verbunden zum Leiten des in den Kollektorgliedern 14

erwärmten Betriebsfluidums.

Zum Verbindungsglied 13 gehören auch eine Deckwand 36, eine Bodenwand 37 und, an dem von der Stirnwand 28 entfernten Ende, eine Stirnwand 38.

Kollektorglied - Erstes Ausfiihrungsbeispiel

Die Kollektorglieder 14, die in den Fig. 2 und 3 gezeigt sind, sind unter sich gleich und weisen je ein gläsernes Hüllrohr 40

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auf, dessen Länge z.B. zwischen 2,1 und 2,8 m und dessen Aussendurchmesser z.B. 50,8 mm beträgt. Die untere Hälfte kann, wie bei 45 angedeutet, einen reflektierenden Belag haben, um die von oben eintreffende Strahlung zurückzuwerfen.

Unter Freilassung eines kleinen Spaltes 49 auch beim halb- 5 kugeligen Ende erstreckt sich im Hüllrohr 40 ein Absorptionsrohr 41, welches an seiner Aussenoberflache einen energieab- » sorbierenden Belag 42 mit hohem Absorptionsvermögen und niedrigem Emittiervermögen besitzt. Als Beispiel solcher Beläge können genannt werden, solche mit einer Unterschicht 10 von auf dem Glas aufgedampftem Aluminium oder Silber und einer überlagerten Schicht aus Halbleitermaterial, welches auf Strahlung in gewünschtem Wellenlängenbereich anspricht. Ein guter solcher Belag hat ein Absorptionsvermögen von 0,8 oder mehr und ein Infrarotemissionsvermögen von 0,1 oder weniger. 15

Zuinnerst erstreckt sich ein gläsernes Fluidleitrohr 43, welches das verhältnismässig kühle Betriebsfluid im Kollektorglied bis in die Nähe des geschlossenen Endes des Absorptionsrohres 41 leitet. Das innere Ende 43a liegt dort der etwa kugeligen Stirnwand 41a des Absorptionsrohres gegenüber (Fig. 2). 20 Anlässlich des Zusammensetzens der Teile zu Kollektorgliedern 14 wird auf das geschlossene Ende 41a jedes Hüllrohres 41 eine Stützkappe 46 (Fig. 5) aufgesetzt ; diese hat einen etwa halbkugeligen Teil und etwa drei oder vier Krallen 47. Sie ist aus Metall oder Kunststoff gefertigt und hat ein gewisses Federver- 25 mögen, um sich mit ihren Krallen 47 auf dem benachbarten Teil des Absorptionsrohres 41 festzuhalten. Letzteres wird dann in das Hüllrohr 40 eingesetzt und, bei diesem ersten Ausführungsbeispiel, am Hüllrohr befestigt durch Anschmelzen seines offenen Endes am Absorptionsrohr 41 zur Herstellung einer Ver- 30 bindung 40a (Fig. 2). In üblicher Technik wird dann durch eine Öffnung in der geschlossenen Stirnwand des Hüllrohres die Luft herausgesogen und die Öffnung bei 48 geschlossen ; das Vakuum liegt in der Grössenordnung von 10~4 Torr. Zuletzt wird noch das Leitrohr 43 eingesetzt. 35

Das Anschliessen der einzelnen Kollektorglieder an das Verbindungsglied 13 geschieht wie folgt. Das freie Ende 43b des Leitrohres 43 hat ungefähr den gleichen Aussendurchmesser wie die Öffnungen 23 in den Wänden 20 und 21 des Verbindungsgliedes. Ein aus gummiartigem Material bestehender 40 Dichtungsring 50 ist auf dem Endteil 43b des Leitrohres aufgesetzt, um die Abdichtung in der Öffnung 23 zu gewährleisten. In ähnlicher Weise ist der Aussendurchmesser des freien Endes 41b des Absorptionsrohres praktisch gleich gross wie der Durchmesser der Öffnung 15 in der einen oder anderen der 45 Seitenwände 16,17. Ein O-Ring 51 aus gummiartigem Material ist auf diesem Ende 41b aufgesetzt, um es in der Öffnung 15 abzudichten. Die Wandungen der Öffnungen 15 und 23 haben je eine Ringnut 51a bzw. 50a zur Aufnahme der Dichtungsringe 51 bzw. 50. 50

Kollektorglied—Zweites Ausführungsbeispiel

In den dieses zweite Ausführungsbeispiel veranschaulichenden Figuren 7 und 8 sind Teile, die solchen des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen, mit dem gleichen Bezugszeichen, 55 allerdings zusätzlich mit dem Prim-Zeichen bezeichnet.

Das Kollektorglied 14' weist ein gläsernes Hüllrohr 40' auf, das durchsichtig oder durchscheinend ist und an seinem äusseren Ende, wie bei 48' gezeigt, verschlossen ist. Das andere Ende des Hüllrohres 40' ist offen. Das mit einem kleinen Zwischen- 6o räum darin eingesetzte Absorptionsrohr 41' hat an seiner Aus-senoberfläche einen Belag 42' mit hohem Absorptionsvermögen und niedrigem Emissionsvermögen ähnlich wie das Absorptionsrohr des ersten Ausführungsbeispiels. Das offene Ende dieses Absorptionsrohres 41' ist ausgeweitet wie bei 60 gezeigt, 65 wobei diese Ausweitung vorzugsweise vor Anbringen des Belages 42' vorgenommen wurde. Auf das geschlossene Ende des Absorptionsrohres ist eine schraubenlinienförmig-spiralig gewundene Drahtfeder aufgesetzt, die nach dem Einsetzen des Absorptionsrohres in das Hüllrohr am geschlossenen Ende dieses letzteren anzuliegen kommt.

Nach erfolgtem Einsetzen des Absorptionsrohres in das Hüllrohr wird der freie Raum des ausgeweiteten Endteiles 60 an den benachbarten Rand des Hüllrohres angeschmolzen, so dass sich eine dichte Verbindung zwischen den beiden Rohren ergibt. Danach wird durch eine Öffnung im geschlossenen Ende des Hüllrohres 40' der Zwischenraum in den Rohren 40' und 41 ' unter Vakuum gesetzt und anschliessend die Öffnung verschlossen wie bei 48' gezeigt. Ein Leitungsrohr 43 wird dann durch einen Wandungsteil 62 und einen Dichtungsteil 63 in einer Öffnung 15 ' oder 23 ' auf der einen oder anderen Seite des Verbindungsgliedes 13 eingesetzt. Ein Dichtungsring 51' ist in eine Ringnut 51a' der Öffnung 15' eingesetzt und liegt dicht an der Aussenoberfläche des Hüllrohres 40' an beim offenen Ende des Kollektorgliedes. Der Dichtungsring 51 ' bildet eine primäre Abdichtung für das Kollektorglied 14' in der zugehörigen Auf-nahmeöffnung des Verbindungsgliedes.

Das Verbindungsglied 13 weist eine Lage von geschäumter Isolierung 64 auf, an ihrer Aussenoberfläche; an Stellen, die den Öffnungen in den tragenden Seitenwänden des Verbindungsgliedes entsprechen, hat diese Isolierlage Öffnungen 65'. Eine dünne Dichtungsringscheibe 66, die etwas nachgiebig ist, ist in der Dichtungslage so eingesetzt, dass sie in die Öffnung 65' hineinragt und an der Aussenoberfläche des Hüllrohres 40'

eines eingesetzten Kollektorgliedes anliegt.

Das Hüllrohr 40' ist aus einem Glas hergestellt, das sehr gut lichtdurchlässig ist und vorzugsweise einen niedrigen Eisengehalt aufweist. Das Absorptionsrohr 41 ' besteht vorzugsweise aus einem Glas mit derselben Zusammensetzung wie das Hüllrohr 40', dies zur Erleichterung der Herstellung der Schmelzverbindung und zwecks Vermeidens von Restspannungen in beiden Rohren nach dem Zusammenschmelzen.

Der Absorptionsbelag 42' an der Aussenoberfläche des Absorptionsrohres 41 ' besteht aus einem Material mit einem Absorptionsvermögen von 0,8 oder mehr und einem Emissionsvermögen von 0,1 oder weniger. Zur Erreichung des hohen Absorptionsvermögens besteht die Aussenschicht dieses Belages aus Oxyden oder Sulfiden von Chrom, Nickel oder Kupfer. Manchmal ist eine Kombination des Metalls und seiner Verbindung am besten für die Erreichung eines hohen Absorptionsvermögens für die Sonnenenergie. Zur Erzielung eines kleinen Emissionsvermögens ist es gut, wenn die untere Schicht des Belages aus Aluminium, Silber, Kupfer und/oder Gold besteht.

Zum Aufbringen der beiden Schichten des Belages stehen viele Verfahren zur Verfügung, u.a. Aufbringen in Vakuum, chemische Aufdampfverfahren, Ionplattieren und Aufspritzen (sputtering).

In dem hier vorgeschlagenen Kollektor können energieabsorbierende Beläge Anwendung finden, die für andere Typen von Kollektoren, z.B. solchen mit flachen Platten, nicht geeignet wären; dies rühr daher, dass im hier vorgeschlagenen Kollektor ein Zwischenraum 49' zwischen Absorptionsrohr und Hüllrohr vorliegt, welcher Zwischenraum auf ein hohes Vakuum in der Grössenordnung von 10~4 Torr gebracht worden ist. Eine chemische Einwirkung von Luft und von Feuchtigkeit kann nicht erfolgen und eventuelle Mängel im Anhaften des Belages sind nicht mehr schädlich.

Die Abstandhaltemittel, die zwischen den geschlossenen Enden der Rohre 40' und 41 ' zur Anwendung gelangen, können irgendeine geeignete Ausbildung haben, die eine gute Abstützung des Absorptionsrohres am Hüllrohr gewährleistet und die Beanspruchungen bei der Verbindung im Bereich der offenen aneinander angeschmolzenen Enden auf einem Minimum hält. Ein solches Abstützmittel muss es dem Absorptionsrohr ermöglichen, sich bei Temperaturänderungen zu verlän1

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gern oder zu verkürzen, ohne dass die eben genannten Beanspruchungen nennenswert grösser werden. Ferner muss es eine minimale Kontaktoberfläche zwischen den beiden Rohren und dem Abstütztmittel gewährleisten zur Niedrighaltung von Wärmeverlusten durch Leitung, und schliesslich muss es auch als 5 Stützmittel dienen können, während dem Zusammenschmelzen der offenen Rohrenden. Wie schon erläutert, kann ein solches Abstützmittel beispielsweise die Form einer aufgesetzten Kappe 46 nach Fig. 5 oder einer aufgesetzten Feder 61 nach Fig. 7 annehmen. 10

Da das Abstützmittel im unter hohem Vakuum stehenden Zwischenraum eingesetzt ist, soll es aus einem Baustoff bestehen, der keine Gase abgibt nach dem Ausbacken und Ver-schliessen des Hüllrohres beim Unter vakuumsetzen und Ver-schliessen dieses äusseren Rohres. Auch soll dieser Baustoff frei 15 von öliger Substanz und von organischem Bindemittel sein, welches beim Ausbackvorgang für die Untervakuumsetzung nicht eliminiert würde. Gereinigter rostfreier Stahl ist der bevorzugte Baustoff.

Im Betrieb des unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschriebenen Kollektors wird ein fluides Medium, z.B. Luft, in den zentralen Kanal 20 des Leitungsrrohres 25 des Verbindungsgliedes hineingepumpt. Die freien Enden 43b der verschiedenen Kollektorglieder 14 stehen mit diesem Kanal in Verbindung; somit wird das eingepumpte Fluidum durch die Leitungsrohre 43 der Kollektorglieder fliessen und beim Ende 43a desselben austreten. Sonnenstrahlung durchdringt das Hüllrohr 40 und wird durch den Absorptionsbelag 42 des Absorptionsrohres 41 absorbiert. Nach Verlassen des Leitrohres 43 bei dessen Ende 43a durchströmt das Fluidum den zylindrischen Teil des Spaltes zwischen diesem Rohr und dem Absorptionsrohr, wobei es dank einem in diesen Zwischenraum eingesetzten Leitteil 44 einem

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schraubenlinienförmigen Verlauf folgt und aus dem Absorptionsrohr 41 Wärme aufnimmt. Nach Verlassen des Endes 41b dieses Rohres gelangt das so erwärmte Fluid in den Kanal 18 oder 19 und danach in den Kanal 26, des Leitungsrohres 24, um dann im Wärmeaustauscher WA Wärme abzugeben.

Einer der wichtigen Vorteile liegt darin, dass jedes beliebige Kollektorglied 14 oder 14' im Bedarfsfall, z.B. bei Beschädigung, leicht ersetzt werden kann.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass die gläsernen Rohre, die im Ausbau der Kollektorglieder Verwendung finden, ohne weiteres in billiger herkömmlicher Zusammensetzung gefertigt werden können, z.B. einer solchen auf der Basis von Soda und Kalk oder von Borsilikat. Die einzelnen Kollektorglieder sowie auch der Kollektor als Ganzes können am Gebrauchsort leicht installiert werden, dagegen können die Einzelglieder leicht vorfabriziert und dann am Gebrauchsort zusammenmontiert werden. Des weiteren haben die einzelnen Glieder wie auch das Ganze ein verhältnismässig geringes Gewicht, weshalb sich in den allermeisten Anwendungsfällen vorgängige Verstärkungen der Dachkonstruktion erübrigen.

Im praktischen Gebrauch wird das Betriebsfluid die Kollektorglieder bzw. den ganzen Kollektor bei einer Temperatur über 120° C verlassen. Der sonnenenergieabsorbierende Belag 42 oder 42' ist vollständig geschützt, unterliegt deshalb keinem Verschleiss und seine Lebensdauer erstreckt sich über die ganze Lebensdauer der vollständigen Kollektoreinheit.

In der beschriebenen Ausführung sind Kollektorglieder auf beiden Seiten des Verbindungsgliedes vorgesehen. Es versteht sich aber, dass auch Ausführungen möglich sind (und mitgeschützt sein sollen), bei welchen nur auf einer Seite des Verbindungsgliedes Kollektorglieder angeordnet sind.

2 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Sonnenenergiekollektor, gekennzeichnet durch ein über seinen ganzen Umfang durchsichtiges oder durchscheinendes Hüllrohr (40,40') mit einem geschlossenen Ende, ein in diesem Hüllrohr unter Freilassung eines Zwischenraumes eingesetztes, 5 gläsernes Absorptionsrohr (41,41') mit geschlossenen Ende,

das jenem des Hüllrohres benachbart ist, welches Absorptionsrohr auf seiner zylindrischen Mantelfläche mit einem sonnenenergieabsorbierenden Belag versehen ist, wobei ferner die beiden Rohre an ihrem vom geschlossenen Ende entgegenge- 10 setzten Ende durch Aneinanderschmelzen dicht miteinander verbunden sind und der zwischenliegende Raum unter Vakuum gesetzt ist, wobei ferner der absorbierende Belag an der Aus-senoberfläche des Absorptionsrohres vorliegt und ein Absorptionsvermögen von 0,8 oder mehr und ein Infrarotemissionsver- 15 mögen von 0,1 oder weniger besitzt.
2. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der am Rand des Hüllrohres angeschmolzene Rand des Absorptionsrohres aus einem ausgeweiteten Endteil dieses letzteren besteht. 20
3. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1 oder 2,

daclurch gekennzeichnet, dass der Belag eine aus Aluminium, Silber, Kupfer oder Gold bestehende, reflektierende Unterschicht und eine absorbierende Oberschicht aufweist, die aus Oxyden und Sulfiden von Chrom, Nickel und/oder Kupfer 25 besteht.
4. Sonnenenergiekollektor nach einem der Ansprüche 1—3, gekennzeichnet durch Mittel (13,43) zur Zuführung eines Betriebsfluids in das Innere des Absorptionsrohres und zum Abführen dieses Ruids nachdem es mit diesem Rohr in Wärme- 30 austauschbeziehung gestanden hat.
5. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidzufuhrmittel ein Verbindungsglied (13) aufweisen, das dicht am offenen Ende des Hüllrohres angeschlossen ist zur Aufnahme des erwärmten Fluids aus dem 35 Absorptionsrohr, ferner eine Quelle von Betriebsfluid, die an das Verbindungsglied angeschlossen ist, des weitern ein Fluid-leitrohr (43,43'), das mit dem Verbindungsglied in Verbindung steht und sich innerhalb des Absorptionsrohres erstreckt bis in die Nähe dessen geschlossenen Endes. 40
6. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auch dieses sich im Absorptionsrohr erstreckende Leitrohr aus Glas besteht.
7. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass elastisch nachgiebige, z.B. aus einer 45 Schraubenfeder (49') bestehende Stützmittel zwischen den geschlossenen Enden des Hüllrohres und des Absorptionsrohres angeordnet sind.

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