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Die
Erfindung geht aus von einem Röhrenkollektor
entsprechend den Ansprüchen
1 bzw. 12. Ein derartiger Röhrenkollektor
besteht aus wenigstens einem transparenten Hüllrohr und wenigstens einem
Rohr im Inneren des Hüllrohrs
mit einer gasdichten Verbindung untereinander. Man unterscheidet
Heat-Pipe-Röhren – bei denen
sich in der Kollektorröhre
ein geschlossenes System befindet, das nur die Wärme nach außen an ein Wärmeträgermedium abgibt – von direkt
vom Wärmeträgermedium
durchströmten
Röhren.
Die direkte Durchströmung
der Kollektorröhre
kann dadurch erfolgen, dass in das Absorberrohr ein Wärmeleitblech
eingebracht wird, das mit einem U-förmigen Rohr verbunden ist,
in dem das Wärmeträgermedium
die absorbierte Energie abführt.
Bei einer vorteilhafteren Variante werden Wärmeübergangswiderstände vom
Absorber auf das Wärmeträgermedium
durch eine direkte Durchströmung
des Absorberrohrs mit dem Wärmeträgermedium
minimiert. Derartige Kollektorröhren
sind aus der Veröffentlichung „Hochleistungskollektoren
einer neuen Generation" in
Sonnenenergie & Wärmetechnik
4/99, S. 26-30 sowie
DE
198 21 137 A1 ,
DE
43 18 127 A1 und
DE
100 33 240 C2 bekannt. Dabei befindet sich in einem transparenten
Hüllrohr
ein Absorberrohr, das von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird
und die absorbierte Energie aus der Kollektorröhre abtransportiert. Das Absorberrohr
ist im Hüllrohr
exzentrisch und parallel zu dessen Längsachse angeordnet. Die der
Sonne abgewandte Hälfte des
Hüllrohrquerschnittes
ist ganz oder teilweise verspiegelt und fokussiert die Strahlung
auf den Absorber. Absorberrohr und Hüllrohr sind jeweils an einem Ende
verschlossen und am anderen Ende miteinander verbunden, so dass
ein Luft evakuierbares Gefäß – ähnlich einer
Thermoskanne – entsteht.
Zufluss und Abfluss des Wärmeträgermediums
befinden sich am gleichen Ende der Kollektorröhre. Die vollständige Durchströmung des
Absorberrohrs wird durch ein weiteres, im Absorberrohr befindliches
Rohr gewährleistet,
das zusammen mit dem Absorberrohr ein Koaxialrohr bildet. Das Wärmeträgermedium
strömt
auf diese Weise im innersten Rohr bis zum Rohrende und an dessen
Außenseite,
entlang des Absorberrohrs wieder zurück.
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Da
Zufluss des kalten und Abfluss des warmen Wärmeträgermediums nur durch die Wandung des
innersten Rohres voneinander getrennt sind und im Gegenstrom zueinander
laufen entsteht ein Wärmetauschereffekt,
der einem hohen Temperaturgradienten zwischen Zu- und Abfluss entgegenwirkt.
Zur Lösung
dieses Problems wird in oben genanntem Artikel vorgeschlagen, mehrere
Röhren
seriell hintereinander zu schalten, so dass sich die Temperatur des
Zuflusses und damit auch die des Abflusses von Röhre zu Röhre erhöht. Nachteilig wirkt sich dabei die
Zunahme des Druckverlustes aus, da mit jeder seriell verschalteten
Kollektorröhre
die doppelte Rohrlänge
(da Koaxialrohr) addiert werden muß und sich die Reibungsverluste
durch den engeren Röhrenquerschnitt
eines Koaxialrohrs gegenüber
einem einfachen Rohr erhöhen.
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In
einer Ausführungsform
von
DE 198 21 137 A1 wird
ein an beiden Seiten offenes inneres Rohr vorgeschlagen, bei dem
das Wärmeträgermedium das
Absorberrohr in einer Richtung durchströmen kann und sich ein drittes
Rohr zur bidirektionalen Durchströmung erübrigt. Dabei muss jedoch auch das
Hüllrohr
offen bleiben, so dass kein dauerhaft isolierendes Hochvakuum möglich ist.
Es wird davon ausgegangen, dass durch eine starre Verbindung aufgrund
der Längenausdehnung
des inneren Rohres bei hohen Betriebstemperaturen zu hohe Spannungen
zwischen den Rohren auftreten. Es wird deshalb eine Verbindung mittels
Glaslot vorgeschlagen, die einen Kompromiss zwischen ausreichender
Flexibilität
und ausreichender Dichtheit darstellt.
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Bedingt
durch die selektive Beschichtung des Absorberrohrs und das Hochvakuum
von Kollektorröhren
mit hervorragenden Isolationseigenschaften treten Stillstandstemperaturen über 300°C auf. Dies
kann zu erheblichen Materialbelastungen des Kollektorsystems und
zur Dampfbildung von flüssigen
Wärmeträgermedien
führen.
Da Havarien nie zu 100% ausgeschlossen werden können, sind Schutzmechanismen
wünschenswert,
die Schäden
infolge hoher Stillstandstemperaturen verhindern.
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Der
größte Ertrag
eines Kollektors wird erzielt, wenn dieser lotrecht zur Sonne ausgerichtet
ist. Bei den gattungsgemäßen Kollektorröhren mit
teilweiser Verspiegelung des Hüllrohres
kann es bei schräger
Einstrahlung zur Beschattung des Absorberrohres kommen. In der Patentschrift
DE 100 33 240 C2 wird
dieses Problem dadurch gelöst,
dass das Absorberrohr um einen Betrag x außerhalb der verspiegelten Hüllrohrhälfte angeordnet
ist und somit durch die Verspiegelung weniger beschattet wird. Da sich
das Absorberrohr auf diese Weise nicht mehr im Brennpunkt des Spiegels
befindet, wird an das Absorberrohr eine Absorberfahne angebracht,
die die Energie im Brennpunkt absorbiert und an das Absorberrohr überträgt. Nachteilig
bei dieser Ausführung ist,
dass gegenüber
einem einfachen Absorberrohr die Absorberfahne zu einer Vergrößerung der
Oberfläche
und damit zu höheren
Wärmeverlusten
beiträgt.
Eine solare Nachführung
der Kollektoren würde Konstruktionen
wie in
DE 100 33 240
C2 überflüssig machen.
Alle bekannten Röhrenkollektoren
sind fest an einen Verteiler gekoppelt, der das Wärmeträgermedium
den Röhren
zu- und abführt.
Aus diesem Grund müsste
zur Realisierung einer solaren Nachführung der gesamte Kollektor
mit Röhren,
Röhrenhalterung,
Verteiler und Gestell bewegt werden. Dies ist unökonomisch, da die Nachführungen
für jeden einzelnen
Kollektor sehr robust gegen widrige Witterungsverhältnisse
ausgeführt
sein müssen
und daher teuer sind. Aufgrund der benötigten Bewegungsfreiheit ist
eine derartige solare Nachführung
beispielsweise an Fassaden oder auf schrägen Dächern auch kaum realisierbar.
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DE 28 27 082 A1 betrifft
einen Kollektor für Solarenergie,
der eine Führung
zum Fördern
wärmeabsorbierender
Flüssigkeit
aufweist, die eine selektive schwarze Schicht auf ihrer Außenfläche trägt.
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DE 199 19 835 A1 betrifft
einen Sonnenkollektor mit einem Innenrohr und formvariablem Abstandshalter,
wobei das Innenrohr mit einer schwarzen Absorptionsschicht versehen
ist.
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FR 2 395 468 betrifft einen
Sonnenkollektor, der mit einem absorptionsverstärkenden Material versehen ist.
Das absorptionsverstärkende
Material ist alternativ entweder auf der gesamten Länge der Röhre oder
lediglich auf der Wärmeabfluss-Seite
(also jeweils rechts in den Figuren) eingebracht. Eine selektive
Beschichtung für
verminderte IR-Emission ist nicht offenbart.
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JP 550 751 60 AA betrifft
einen Sonnenkollektor mit selektiver Absorptionsschicht auf der
Außenfläche eines
Wärmeleitblechs.
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DE 199 11 104 A1 betrifft
eine Wärmesammeleinrichtung
mit einer Reflektionsplattenanordnung und einer Wärmesammelröhre, wobei
die Wärmesammelröhre exzentrisch
zu einer umgebenden Glasröhre
angeordnet ist.
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DE 93 17 373 U1 betrifft
eine Vorrichtung zur wahlweisen Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme und/oder
Strom, bei der in einer Vakuumröhre
seitlich ein Kollektorblech und zwei Spiegel angeordnet sind. Die
Wärme wird über das
Kollektorblech nach außen
geführt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Röhrenkollektor zu schaffen,
welcher einen höheren
solaren Ertrag als die eingangs beschriebenen Kollektoren aufweist
und zugleich eine Temperaturregulierung ermöglicht. Diese Aufgaben werden
durch einen Röhrenkollektor
gemäß den Ansprüchen 1 bzw.
12 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
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Solarer
Ertrag: Ein Kollektor, entsprechend Anspruch 1, ist je nach Beschaffenheit
des Absorbers in der Lage, ein breites Spektrum des sichtbaren und des
nicht sichtbaren Lichtes, wie zum Beispiel Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung),
zu absorbieren. Deshalb ist als Energiequelle nicht nur die Sonne,
sondern es sind auch andere Energiequellen, wie beispielsweise Abwärme, denkbar.
Demnach kann die folgende Beschreibung zur Nutzung der Sonnenenergie
auch weitgehend auf andere Energiequellen übertragen werden.
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Der
Ertrag eines Sonnenkollektors ist abhängig von der Strahlungsintensität der Sonne
und dem Kollektorwirkungsgrad. Erfindungsgemäß wird die Strahlungsintensität auf die
Absorberfläche
durch eine solare Nachführung
entsprechend des Tagesganges der Sonne und ein höherer Wirkungsgrad des Kollektors
durch eine unidirektionale Durchströmung des Absorberrohrs in Summe
mit den sich daraus ableitbaren Konsequenzen erreicht.
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Die
höchste
Strahlungsintensität
wird bei lotrecht auf den Absorber auftreffender Strahlung absorbiert.
Da die Sonne in den Morgen- und Abendstunden schräg auf eine
nach Süden
ausgerichtete Kollektorfläche
scheint, verringert sich die Bestrahlungsstärke, weil sich das Licht auf
eine größere schräg zur Sonne
ausgerichtete Fläche
verteilt. Mit der Erfindung wird dieses Problem dadurch gelöst, dass
die Röhren
in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet sind und sich die
Absorberflächen auf
eine größere Kollektorfläche verteilen.
Bei senkrechter Sonneneinstrahlung auf den Kollektor sind die Absorberflächen der
Röhren
parallel zur Kollektorebene ausgerichtet. Handelt es sich um Absorptionsrohre
mit einer Sammeleinrichtung zur Konzentration des Lichtes, kann
die Stellung der Röhre
mit Sammeleinrichtung als Absorptionsebene betrachtet werden, bei
der die höchste
Strahlungsintensität
auf den Absorber erreicht wird. Im Falle der oben erwähnten Veröffentlichungen
ergibt sich die Absorptionsebene beispielsweise, wenn am Querschnitt
der Röhre
eine gedachte Linie durch die Spiegelenden gezogen wird (siehe 2). Mit zunehmendem Einstrahlungswinkel
werden die einzelnen Röhren
so um ihre Längsachse
gedreht, dass sich die Absorptionsebenen der Röhren mit der Sonne mehr und
mehr aus der Kollektorebene bewegen. Die Verspiegelung der Röhren wirft
mit zunehmendem Einstrahlungswinkel einen immer größer werdenden
Schatten, bis dieser auf die benachbarte Kollektorröhre trifft
und sich auf diese Weise aus der Strahlungsrichtung der Sonne eine
optisch geschlossene Absorberfläche
bildet (siehe 3). Dabei hat jede einzelne
Röhre eine optimale
Ausrichtung zur Sonne und absorbiert, bezogen auf die Absorberfläche, mehr
Licht als ohne Nachführung.
Bei einem Einstrahlungswinkel von 70° können mit der beschriebenen
Technologie noch 91% der direkten Strahlung absorbiert werden, während es
ohne Nachführung
nur 34% sind.
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Wie
bereits erwähnt,
bleiben bei senkrechtem Lichteinfall (bezogen auf die Kollektorebene)
die Zwischenräume
der Röhren
für die
Lichtabsorption ungenutzt. Bei einem hohen Anteil direkter Strahlung kann
es vorteilhaft sein, wenn diese Strahlung durch Spiegel auf die
Absorber der Röhren
reflektiert wird. Steht beispielsweise die Spiegelfläche des
Hüllrohrs zur
Absorberfläche
der Röhren
in einem Verhältnis von
2:1 und entspricht der Abstand zwischen den Kollektorröhren dem
Durchmesser einer Kollektorröhre,
erhöht
sich der Konzentrationsfaktor der Lichtintensität um das Vierfache. Da die
wärmeabstrahlende
Absorberfläche
gleichbleibt, erhöht
sich durch die Lichtkonzentrierung der Wirkungsgrad des Kollektors.
Entsprechend 4 hat der Spiegel eine rinnenförmige paraboloide
Bauform, deren nähre
Beschreibung anhand der Zeichnung zu 4 erfolgt.
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Vorraussetzung
zur solaren Nachführung
der einzelnen Röhren
ist die flexible Anbindung der Röhren
an den Verteiler für
das Wärmeträgermedium.
In
DE 198 21 137 A1 werden
Varianten der Anbindung an den Verteiler beschrieben. Dabei sind
die Rohrenden in den Verteiler eingebettet und mit diesem verklebt
oder durch O-Ringe abgedichtet, so dass durch die exzentrische Anordnung
der Absorberrohre im Hüllrohr
ein Verdrehen und damit eine solare Nachführung der Kollektorröhren nicht
möglich
ist. Durch die räumliche
Trennung von Zu- und Ablauf des Wärmeträgermediums besteht eine vorteilhafte
erfindungsgemäße Lösung dieses
Problems in der flexiblen Anbindung der Röhren an den Verteiler beispielsweise
durch Schläuche.
Diese sollten druckfest und hitzestabil und im Sinne einer längeren Lebensdauer vorteilhafterweise
spiralförmig
gewunden sein (
5). Der Verteiler kann, wie
in
1 dargestellt, aus einem einfachen
Rohr mit Schraubenschlüssen zum
Anschluß der
Kollektorröhren
und zur Verbindung der Kollektoren untereinander bestehen. Der Verteiler
kann aus verschiedenen Materialien wie beispielsweise Metall, Kunststoff
oder Glas bestehen. Durch die flexible Kopplung sind unterschiedliche
Ausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialien unproblematisch.
Der Verteiler samt Ankopplungsvorrichtung kann in einem isolierten
Gehäuse untergebracht
werden, in dem sich auch eine Vorrichtung zur Arretierung und drehbaren
Lagerung der Kollektorröhren
befindet (siehe
5). Vorteilhafterweise sollten
sich Zu- und Ablauf für
das Wärmeträgermedium
jeweils an einem Ende der Röhren befinden,
da sich auf diese Weise die flexible Ankopplung an den Verteiler
vereinfacht und eine unidirektionale Durchströmung der Kollektorröhren mit
den in nachfolgenden Abschnitten näher erläuterten Vorteilen realisieren
lässt.
Bei einer unidirektionalen Durchströmung, bei der das innere Rohr
an beiden Enden offen ist, besteht die besondere Herausforderung
in einer festen gasdichten und druckstabilen Verbindung mit dem
Hüllrohr,
bei der eine lange Lebensdauer ohne Einbußen des Wirkungsgrades erreicht wird.
In
DE 198 21 137 A1 wird
angestrebt, dieses Problem durch eine Verklebung beider Röhren über eine
Metallkappe zu lösen.
Eine Metall/Glas-Verbindung ist aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten
problematisch und hat bei den eingangs erwähnten Heat-Pipe-Röhren, die
ebenfalls eine solche Verbindung unterschiedlicher Materialien aufweisen,
oft zu Undichtheiten geführt.
Daraus resultieren ein Verlust des Hochvakuums und Leistungsminderung.
In der eingangs erwähnten
Veröffentlichung „Hochleistungskollektoren
einer neuen Generation" wird
dargelegt, welches Spaltmaß zwischen
dem exzentrisch angeordneten Absorberrohr und der Wandung des Hüllrohrs
hinsichtlich optischem Wirkungsgrad und Wärmeverlusten als Optimum anzusehen ist.
Je nach Randbedingungen lag das Optimum des Spaltmaßes bei
1 bis 2mm. Ein größeres Spaltmaß führt zu geringeren
Wärmeverlusten
aber auch zu höheren
optischen Verlusten, da sich das Absorberrohr im Verhältnis zur
Reflexionsschicht in einer zunehmend schlechteren Position befindet.
Soll, wie in
DE 198
21 137 A1 beschrieben, die Verbindung von Absorber- und
Hüllrohr – beide
bestehen aus Glas – über eine
Metallkappe erfolgen, kommt es bei hohen Temperaturunterschieden
zwischen Hüllrohr
und Absorberrohr infolge unterschiedlicher Längenausdehnung zu starken Materialbeanspruchungen.
Bei einer Temperaturerhöhung
um 300°C
(Stillstandstemperatur z.B. im Falle einer Havarie), einem Ausdehnungskoeffizienten
des Glases von 3,3 × 10
–6 K
–1 und
einer üblichen
Kollektorlänge
von ca. 1,5m würde
sich das Absorberrohr um rund 2mm verlängern. Mit dem erwähnten Spaltmaß von 1
bis 2mm und einer Längenänderung
von ca. 1mm (bei Metall/Glas-Verbindung an beiden Rohrenden) kommt
es durch die Scherbewegung der Rohre an der engsten Stelle zwischen Absorberrohr
und Hüllrohr
zu einer Verformung des Metalls um 30 bis 45°. Dies führt zu einer hohen Beanspruchung
der Klebstellen und zu Materialermüdungen des verwendeten Metalls.
Andere flexible Rohrverbindungen z.B. mittels Silikone oder O-Ringe, die die auftretenden
Scherkräfte
zwischen den Rohren besser kompensieren, haben den Nachteil, dass
sie den hohen Druckunterschieden zwischen atmosphärischem
Luftdruck und dem Hochvakuum (zwischen Absorberrohr und Hüllrohr)
nicht standhalten oder nicht dauerhaft gasdicht sind. Dies würde zu Wärmeverlusten
und vermindertem Wirkungsgrad führen.
Erfindungsgemäß wird dieses
Problem dadurch gelöst,
dass die Röhren
so fest miteinander verbunden werden, dass an den Verbindungsstellen eine relative
Bewegung der Röhren
untereinander durch auftretende Scherkräfte weitgehend verhindert wird.
Bestehen Absorber- und Hüllrohr
vorteilhafterweise aus Glas, können
diese direkt miteinander verschmolzen werden. Aber auch andere Materialien wie
Kunststoffe, Metalle oder Keramiken sind zum Aufbau eines Kollektors
dieser Art möglich.
Röhrenschäden infolge
unterschiedlicher Längenausdehnung
von Absorber- und Hüllrohr
werden erfindungsgemäß durch
spezielle Vorrichtungen zur Kompensation unterschiedlicher Längenausdehnung
und/oder der Verhinderung zu hoher Absorbertemperaturen erreicht.
Die Verhinderung zu hoher Absorbertemperaturen wird im folgenden
Abschnitt „Temperaturregulierung" näher erläutert. Zur
Kompensation unterschiedlicher Längenausdehnung
sind mehrere Varianten möglich.
Erfindungsgemäß besteht
eine Variante in der Verformbarkeit des Absorberrohrs und/oder Hüllrohrs.
Eine Kompensation unterschiedlicher Längenausdehnung kann durch unterschiedliche
Durchmesser des Hüllrohrs
bzw. des Absorberrohrs ermöglicht
werden. Alternierende Durchmesser zumindest eines Teils von Hüll- und/oder
Absorberrohr ergeben eine Gestalt, die ähnlich einem Faltenbalg gestreckt
oder gestaucht werden kann (siehe
6a).
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Ist
zumindest ein Teil des Absorberrohrs spiralförmig, können Längenänderungen und die dadurch auftretenden
Scherkräfte
durch die Federwirkung der Spirale kompensiert werden (siehe 6b).
Eine weitere Möglichkeit
besteht dadurch, dass das Absorberrohr mit zunehmender Länge in eine
zunehmende Bogenform übergeht
(6c). Auch Mischformen zwischen den genannten Varianten
sind möglich.
Unterschiedliche Rohrgeometrien und/oder Materialstärken innerhalb
einer Kollektorröhre
können
die Verformung der Rohre hinsichtlich Verformungswiderstand und
Richtung günstig
beeinflussen. Bei Röhrenkollektoren
mit Licht konzentrierenden Einrichtungen kann die Verformung beispielsweise
des Absorberrohrs vorteilhaft so erfolgen, dass mit zunehmender
Verformung gleichzeitig eine Bewegung des Absorbers in einen Bereich
mit niedrigerer Strahlungsintensität verbunden ist. Auf diese
Weise reguliert sich die Längenausdehnung
respektive Temperatur durch eine verminderte Energiezufuhr selbst.
Neben der beschriebenen Längenkompensation
und der Verhinderung zu hoher Temperaturen (Abschnitt „Temperaturregulierung") besteht eine dritte
Möglichkeit
zur Verhinderung von Röhrenschäden infolge
unterschiedlicher Längenausdehnung
in einer funktionalen Trennung von Absorption und Aufrechterhaltung
des Vakuums. Dies wird dadurch erreicht, dass das innere Rohr nicht
der Absorption, sondern nur der Aufrechterhaltung eines Vakuums
dient. Das innere Rohr ist transparent, so dass das Licht das innere
Rohr passiert und sich annähernd
so wenig erwärmt
wie das Hüllrohr.
Auf diese Weise bilden Hüllrohr
und inneres Rohr mit dem eingeschlossenen Vakuum eine äußerst effektive
Isolierung. Da das innere Rohr an beiden Enden offen ist, kann in dieses
ein werteres durchgängiges
Rohr eingebracht wenden, das der Lichtabsorption dient (siehe 7). Zwischen Absorberrohr und innerem
Rohr sollte vorteilhafterweise ein Spalt bestehen, um eine Wärmeübertragung
vom Absorberrohr auf das innere Rohr zu minimieren. Um einen thermisch
bedingten Luftstrom entlang des Spaltes zwischen den Röhren zu
verhindern, kann der Spalt beispielsweise an den Enden abgedichtet
sein. Eine solche Abdichtung kann beispielsweise durch O-Ringe oder
flexible Verklebungen erfolgen, die eine freie Beweglichkeit des
Absorberrohrs relativ zum inneren Rohr ermöglichen. Auch eine einseitige
feste Verbindung durch Verkleben oder Verschmelzen ist möglich. Als
zusätzlicher Schutz
des inneren Rohres vor starker Erwärmung sind verschiedene Varianten
denkbar. Durch die Abdichtung des Spaltes ist beispielsweise eine
Befüllung
mit schlecht wärmeleitenden
Gasen sinnvoll. Eine vorteilhafte Variante besteht darin, dass im
Normalbetrieb der Spalt zwischen Absorber- und innerem Rohr durch
eine oder mehrere Dichtungen verschlossen ist. Im Havariefall, wenn
zu hohe Temperaturen im Absorber auftreten, bewegen sich durch die Längenänderung
des Absorberrohrs die Dichtungen, so dass sich der Spalt öffnet und
der entstehende Luftstrom überschüssige Wärme aus
dem Kollektorrohr abtransportiert.
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Dem
Nachteil dieser Kollektorvariante, dass eine zusätzliche Schicht – die Wandung
des inneren Rohres – durchdrungen
werden muss bevor das Licht auf den Absorber trifft, stehen verschiedene
Vorteile gegenüber:
Durch eine drehbare Lagerung des Absorberrohres im inneren Rohr,
die gleichzeitig die Funktion der Abdichtung des Spaltes zwischen
beiden Rohren übernehmen
kann, ist eine solare Nachführung
der Kollektorröhren
möglich,
bei dem das Absorberrohr fest mit dem Verteiler verbunden ist. Es wird
nur die Vorrichtung zur Lichtbündelung,
wie beispielsweise die Verspiegelung des Hüllrohrs oder einer Linse, um
die Längsachse
des Absorberrohrs bewegt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass
bei defekten oder verschlissenen Röhrenkomponenten das betreffende
Teil ausgetauscht wenden kann, ohne die gesamte Röhre wechseln
zu müssen.
Dieser Aspekt kann besonders dann zum Tragen kommen, wenn statt
einer speziellen Kollektorflüssigkeit
als Wärmeträgermedium
in einem geschlossenen Kreislauf aggressivere Flüssigkeiten, wie beispielsweise
Salzwasser, zur Erwärmung
direkt durch die Kollektorröhren
fließen.
Ein eventuell auftretender Materialabrieb des Absorberrohrs durch
die hindurchfließenden Substanzen
kann durch Austausch des Absorberrohrs kostengünstig behoben werden. Durch
die Trennung von Zu- und Abfluss wird neben einer solaren Nachführung der
Kollektorröhren
auch eine unidirektionale Durchströmung der Kollektorröhren erreicht.
Dies bewirkt eine niedrigere mittlere Kollektortemperatur. Der Temperaturgradient
zwischen mittlerer Kollektortemperatur und Umgebungstemperatur hat
einen unmittelbaren Einfluss auf den Wirkungsgrad des Kollektors,
denn höhere
Temperaturgradienten bewirken größere Wärmeverluste.
Ein Rechenbeispiel verdeutlicht den Unterschied zwischen herkömmlichen
Sydney-Röhren,
wie in
DE 198 21 137
A1 ,
DE 43
18 127 A1 und
DE
100 33 240 C2 beschriebenen, und der erfindungsgemäßen Hybrid-Röhre: Beide Varianten sollen
80°C heißes Medium
erzeugen. Dazu muss der Sydney-Röhre wegen des
beschriebenen Wärmetauscher-Effektes
relativ heißes
Medium (z.B. 60°C)
aus einem Speicher zugeführt
werden. Durch den Wärmetauschereffekt
beträgt
die Austrittstemperatur aus dem innersten Rohr 70°C. Die mittlere
Kollektortemperatur beträgt
demnach [(70 + 80)/2] ca. 75°C.
Die Hybrid-Röhre
kann beispielsweise mit einer Medientemperatur von 20°C gefüllt werden.
Die mittlere Kollektortemperatur der Hybrid-Röhre ist dann mit 50°C 1/3 niedriger.
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Temperaturregulierung:
Die Temperatur der Vakuumröhre
ergibt sich aus der Bilanz der Energiezu- und -abflüsse. Im
Stagnationsfall – bei
einer Havarie oder vollem Speicher – wird keine Energie mehr über das
Wärmeträgermedium
abgeführt
und die Temperatur der Kollektorröhren nimmt zu. Erfindungsgemäß wird eine
zu starke Erwärmung
der Röhren
auf zwei Wegen verhindert: Drosselung der Energiezufuhr und verstärkte Wärmeabgabe.
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Eine
verstärkte
Wärmeabstrahlung
wird durch eine Mischung aus selektiv und nicht selektiv beschichteten
Abschnitten des Absorberrohrs erreicht. In einem Ausführungsbeispiel
ist der nicht selektiv beschichtete Abschnitt des Absorberrohrs
lichtdurchlässig.
Im Inneren befindet sich ein lichtabsorbierendes Granulat, das vom
Wärmeträgermedium umspült wird.
Dieses Granulat ist in der Lage, Wärme als Infrarotstrahlung abzugeben.
Im Normalbetrieb kann die Wärmeabstrahlung
aufgrund niedriger Temperaturen des Wärmeträgermediums vernachlässigt werden.
Das Wärmeträgermedium
transportiert die Wärmeenergie
vom Granulatabsorber zum Röhrenabschnitt
mit selektiver Beschichtung, wo es sich weiter erwärmt und
Wärmeverluste
durch Infrarotstrahlung weitgehend unterbunden werden. Im Stagnationsfall
wird die Wärme
nicht mehr gerichtet vom Granulatabsorber zur selektiven Beschichtung
transportiert. Das Wärmeträgermedium
erwärmt
sich im gesamten Absorberrohr und der Granulatabsorber gibt mit
steigenden Temperaturen zunehmend mehr Infrarotstrahlung ab, so
dass sich die Bilanz von Energiezu- und -abflüssen in Richtung Energieabflüsse verschiebt
und niedrigere Stillstandstemperaturen erreicht werden.
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Wird
eine Solaranlage mit Speicherbetrieb konzipiert, kann mit der Erfindung
einer Havarie, die durch einen vollen Speicher bedingt ist, vorgebeugt werden.
Speicher werden vorteilhafterweise in Schichten beladen, so dass
sich im Speicher kalte und warme Zonen befinden. Dies ermöglicht einen Vorrat
von ausreichend erwärmten
Wasser bei gleichzeitiger starker Abkühlung des Wärmeträgermediums. Auf diese Weise
fließt
dem Kollektor und insbesondere dem Granulatabsorber relativ kaltes Medium
zu, das, wie beschrieben, erwärmt
wird. Ist der Speicher nahezu gefüllt und erreicht in fast allen Schichten
seine Maximaltemperatur, kann das Wärmeträgermedium nicht mehr so stark
abgekühlt
werden und erreicht den Granulatabsorber mit einer höheren Temperatur.
Mit zunehmender Temperatur des Granulatabsorbers wird verstärkt Wärme abgestrahlt und
der Anteil des Granulatabsorbers zur Erwärmung des Mediums nimmt ab.
Auf diese Weise verlangsamt sich die weitere Beladung des Speichers mit
Wärme und
ein Stillstand der Anlage, verursacht durch einen vollen Speicher,
kann verhindert oder verzögert
werden.
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Die
Drosselung der Energiezufuhr erfolgt dadurch, dass die Röhren so
aus der Sonne gedreht werden, dass das Absorberrohr ganz oder teilweise von
der Verspiegelung des Hüllrohres
verschattet wird oder sich außerhalb
des Brennpunktes der Verspiegelung befindet. Dieser Vorgang wird
als aktiver Schutzmechanismus bezeichnet.
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Einen
passiven Schutzmechanismus stellt die Bewegung des Absorberrohrs
infolge einer Längenausdehnung
dar, wie er bereits im vorhergehenden Abschnitt „Solarer Ertrag" näher erläutert wurde.
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Neben
einem höheren
Wirkungsgrad und vorhandener passiver und aktiver Schutzmechanismen
ergeben sich weitere Vorteile aus der Erfindung:
Das Wärmeträgermedium
durchströmt
das Absorberrohr in einer Richtung (unidirektional). Je nach Fließgeschwindigkeit
des Wärmeträgermediums können zwischen
Zu- und Ablauf hohe Temperaturgradienten erzeugt werden, was bei
bidirektionaler Durchströmung
in einem Koaxialrohr nicht möglich ist.
Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn ein Medium ohne Pufferspeicher
von einer niedrigen auf eine hohe Temperatur erwärmt werden soll, wie dies beispielsweise
bei solaren Meerwasserentsalzungsanlagen der Fall ist.
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Die
Erfindung sieht vor, dass vom Zufluss ausgehend ein mehr oder weniger
großer
Bereich des Absorberrohrs – je
nach Anwendungszweck der Röhre – nicht
selektiv beschichtet wird und lichtdurchlässig bleibt. Zur Lichtabsorption
dient ein schwarzes Granulat, das sich im Inneren des Absorberrohrs
befindet und vom Wärmeträgermedium
umspült
wird. Im Gegensatz zu den sonst üblichen
zweidimensionalen Oberflächen
entsteht mit dem Granulat ein dreidimensionaler Absorptionskörper, bei
dem reflektierte Strahlung entweder unmittelbar vom Wärmeträgermedium
absorbiert oder ins Innere des Absorptionskörpers reflektiert und absorbiert
wird (siehe 8). Auf diese Weise entsteht
ein Absorptionskörper
mit hervorragenden Absorptionseigenschaften.
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Im
Zusammenhang mit den guten Absorptionseigenschaften des dreidimensionalen,
nicht selektiven Absorptionskörpers
besteht die Möglichkeit, die
Röhren
bei Schnee und Vereisung abzutauen. Dazu wird warmes Medium z.B.
aus einem Speicher in die Röhren gepumpt,
bis sie durch Energieabgabe vom Granulatabsorber teilweise enteist
sind und genug Energie liefern, um sich selber weiter abzutauen.
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Die
verwendeten Materialien der erfindungsgemäßen Hybrid-Röhren – Glas und
Granulat – sind weitgehend
temperatur- und chemikalienbeständig. Aggressive
Medien wie Salzwasser können
deshalb direkt in den Hybrid-Röhren
erwärmt
werden. Dadurch entfällt
ein separater Kollektorkreislauf, bei dem die Energie durch Wärmetauscher
vom Wärmeträgermedium
des Kollektorkreislaufes auf die eigentlich zu erwärmende Substanz übertragen
werden muss. Es werden Kosten gespart und der Wirkungsgrad erhöht sich,
da Energieverluste minimiert werden.
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Die
Temperatur des zu erwärmenden
Mediums wird vorrangig durch dessen Aufenthaltsdauer in den Kollektorröhren in
Abhängigkeit
von Lichtintensität
und anderen Faktoren bestimmt. Die Regulierung kann hierbei durch
die Pumpleistung erfolgen. Unter bestimmten Verhältnissen (z.B. hohe Lichtintensität und niedrige
Medientemperatur) kann es jedoch vorteilhaft sein, die Medientemperatur
nicht nur durch die Fließgeschwindigkeit
des Mediums, sondern auch durch die Beweglichkeit der Röhren zu
regulieren. Dabei werden die Röhren
soweit aus der Sonne gedreht, bis nur noch die notwendige Energiemenge den
Absorber der Röhren
erreicht. Ein zusätzlicher Mischer
zur Temperaturregulierung kann auf diese Weise eingespart werden.
Wird die Maximaltemperatur des Wärmeträgermediums
(z.B. Wasser) so eingestellt, dass sie unter der Siedetemperatur
liegt, wird die Dampfbildung verhindert und ein Anlagenbetrieb ohne
Vordruck ist möglich.
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Ein
hoher Wirkungsgrad von Röhrenkollektoren
wird durch die guten Isolationseigenschaften des Hochvakuums in
den Röhren
erreicht. Eine ideale Vakuumisolierung entsteht durch die Verminderung der
Gasteilchen auf einen Druck der kleiner ist als 10–3 mbar.
Dieser Druck muss während
der gesamten Lebensdauer der Röhren
aufrechterhalten werden, da sonst eine Wärmeübertragung vom Absorberrohr über die
Gasteilchen zum Hüllrohr
erfolgt. Im Laufe der Zeit kommt es zur Gasentwicklung innerhalb
der Röhre,
die auf zwei Vorgängen
beruht: Durch Ausgasen interner Röhrenkomponenten wie der Selektivbeschichtung
und Gaspermeation, bei der Moleküle
aus der äußeren Atmosphäre durch
die Glasschicht ins Röhreninnere
gelangen. Beide Aspekte können
mit der Erfindung positiv beeinflusst werden. Da ein Teil des Absorberrohres
aufgrund des Granulatabsorbers nicht selektiv beschichtet werden muss
verringert sich die Fläche
an der Ausgasungen auftreten können.
Die Gaspermeation kann durch die Verminderung des Druckgefälles zwischen Überdruck
(2-3 bar) des Wärmeübertragungsmediums
im Absorberrohr und dem Vakuum (10–3 mbar)
zwischen Absorber- und Hüllrohr
eingeschränkt
werden. Der Überdruck
des Wärmeträgermediums ist
nicht notwendig, wenn durch die Temperaturregulierung eine Überschreitung
des Siedepunktes des Wärmeübertragungsmediums
erfindungsgemäß verhindert
wird.
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Ein
Sonnenkollektor hat die Aufgabe, das Sonnenlicht optimal zu nutzen
und das Wärmeträgermedium
auf eine möglichst
hohe Temperatur zu erwärmen.
Die Geschwindigkeit, mit der dies erfolgt, ist neben dem Kollektorwirkungsgrad
abhängig
von der Lichtintensität
und dem zu erwärmenden
Wärmeträgervolumen
im Absorber. Je kleiner das Volumen ist, desto schneller kann es
erwärmt
werden, was sich besonders bei wechselhafter Bewölkung bemerkbar macht. Einer
Verringerung des Absorberrohrquerschnitts zur Volumenreduzierung
sind Grenzen gesetzt, da dies eine schärfere Fokussierung direkter Strahlung
voraussetzt. In der erfindungsgemäßen Hybrid-Technologie wird ein kleines Volumen
durch die Verwendung des Granulatabsorbers erreicht. Je nach Körnung verringert
sich das Volumen im Granulatabsorber um ca. 50% und bewirkt auf
diese Weise eine geringere thermische Trägheit.
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Durch
die Bauweise der Hybrid-Röhren
kann das System vollständig über die
Verteiler der Kollektoren entleert werden, ohne die Kollektoren
demontieren zu müssen.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1a Längsschnitt
durch ein Kollektorrohr mit unidirektional durchströmtem Absorberrohr
sowie Verteiler und 1b einen Querschnitt durch ein
Kollektorrohr,
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2a und 2b Querschnitt
eines Kollektorrohrs bei schräger
und lotrechter Energieeinstrahlung auf die Absorptionsebene der
Röhre,
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3a und 3b Vergleich
der Absorptionsflächen
eines Kollektors mit und ohne Nachführung der Kollektorröhren,
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4a bis 4c Wirkungsweise
eines Parabolspiegels bei lotrechter und schräger Energieeinstrahlung,
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5 flexible
Anbindung einer Kollektorröhre
an den Verteiler mit drehbarer Lagerung der Kollektorröhre,
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6a bis 6c Vorrichtungen
zur Kompensation unterschiedlicher Längenausdehnung des Absorberrohrs
im Verhältnis
zum Hüllrohr,
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7a und 7b Längs- und
Querschnitt einer Kollektorröhre
mit innerem Rohr und Absorberrohr zur funktionalen Trennung von
Vakuumrealisierung und Lichtabsorption,
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8 Lichtabsorption
im Granulatabsorber.
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Im
Folgenden werden die Figuren näher
beschrieben:
Die in 1a als
Längsschnitt
und in 1b als Querschnitt dargestellte
Röhre eines
Kollektors zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung. Im transparenten
Hüllrohr 1 mit
einer Verspiegelung auf der Innenseite des Hüllrohrs 1 befindet
sich eine Verspiegelung 4 zur Bündelung des Lichtes. Im Brennpunkt
des Lichtes befindet sich das innere Rohr 2. Zwischen Hüllrohr 1 und
innerem Rohr 2 besteht ein Vakuum 3 oder der Raum
wird mit Gasen gefüllt,
die eine niedrige Wärmeleitfähigkeit
aufweisen z.B. wie das Edelgas 3 Xenon. Als zweite Funktion
kann das innere Rohr 2 die Funktion der Lichtabsorption übernehmen.
Man kann das innere Rohr dann auch als Absorberrohr bezeichnen.
Dazu ist das innere Rohr zumindest teilweise an der zum Vakuum 3 zeigenden Seite
mit einer selektiven Beschichtung 6 versehen. Die selektive
Beschichtung 6 hat die Aufgabe zu verhindern, dass Infrarotstrahlung
abgegeben wird. Ist nur eine teilweise selektive Beschichtung 6 vorgesehen,
wird der andere Teil des inneren Rohrs mit einem nichtselektiven
Absorber 5 versehen. Dazu besteht das innere Rohr 2 vorzugsweise
aus transparentem Material wie Glas und ist im nicht selektiv beschichteten
Bereich 5 mit einem Granulat gefüllt, das der Lichtabsorption
dient und vom Wärmeträgermedium 29 direkt
umströmt
wird. Das Wärmeträgermedium 29 durchströmt die Kollektorröhre unidirektional,
vorzugsweise vom nicht selektiven Bereich 5 zur selektiven
Beschichtung 6. Bei der Verwendung gleicher Materialien
für inneres
Rohr 2 und Hüllrohr 1 dehnt
sich das innere Rohr 2 bei höherer Lichtabsorption starker
aus als das Hüllrohr 2.
Da Hüllrohr 1 und
inneres Rohr 2 an beiden Enden fest miteinander verbunden
sind, ist eine Vorrichtung 23 vorgesehen, die der Kompensation
bzw. dem Spannungsabbau bei unterschiedlicher Längenausdehnung von Hüllrohr 1 und
innerem Rohr 2 dient. Die Kollektorröhren sind an den Enden über die
Anschlüsse 7 jeweils
mit einem Verteiler zur Zu- und Abführung des Wärmeträgermediums 8 und 9 verbunden.
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Die 2a und 2b zeigen
den Unterschied zwischen schräger
und lotrechter Einstrahlung 10 auf die Absorptionsebene 14 der
Röhren.
Die Absorptionsebene 14 entsteht durch die Verbindung der
Enden der Verspiegelung 4 des Hüllrohrs 1 im Querschnitt
der Röhren.
Bei schrägem
Einstrahlungswinkel auf die Absorptionsebene, wie in 2a dargestellt,
verringert sich die Strahlungsintensität 12. Mit zunehmendem
Einstrahlungswinkel bildet sich ein größer werdender Schatten 11,
der das innere Rohr 2 beschattet. Mit einer solaren Nachführung der
Kollektorröhre
kann die Absorptionsebene 14 lotrecht zur Strahlungsrichtung
der Energiequelle 10, wie in 2b dargestellt,
ausgerichtet werden. Die Verspiegelung 4 des Hüllrohrs 1 wirft
keinen Schatten auf das innere Rohr 2 und die Strahlungsintensität 13 kann
zu 100% genutzt werden.
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In
den 3a bis 3d werden
die Absorptionsflächen
eines Kollektors mit Nachführung der
Röhren
(3c und 3d) sowie
ohne Nachführung
der Röhren
(3a und 3b) miteinander
verglichen. Die Energiequelle 10 strahlt schräg auf die
Kollektorebene, die sich – im
Querschnitt betrachtet – aus
der in einer Reihe nebeneinander angeordneten Röhren ergibt. Aus 3a wird
ersichtlich, dass die Absorptionsebenen der Röhren 14 schräg angestrahlt 10 werden
und sich dabei Schatten 11 durch die Verspiegelung 4 der
Hüllrohre 1 auf den
inneren Rohren 2 bilden. In 3c wurden
die Absorptionsebenen der Kollektorröhren 14 so aus der
Kollektorebene gedreht und lotrecht zur Strahlungsquelle ausgerichtet,
dass eine optisch geschlossene Absorptionsfläche 15 entsteht, bei
der die Strahlungsintensität
zu 100 % genutzt werden kann, wie aus 3d ersichtlich
wird. Im Gegensatz dazu werden die Absorptionsebenen ohne Nachführung schräg angestrahlt
und aus der Perspektive der Strahlungsquelle 10 betrachtet
bildet jede Röhre
einen separaten Absorptionsstreifen, so dass insgesamt, wie in 3b dargestellt,
eine kleinere Absorptionsfläche
gegenüber
den nachgeführten
Röhren wie
in 3d resultiert. Die Absorptionsflächen bzw. Absorptionsebenen 14 sind
in den 3b und 3d grau
hinterlegt.
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In
den 4a bis 4c ist
ein Spiegel zur Reflexion von direkter Strahlung dargestellt, der
den Zwischenraum der Röhren
zur Erhöhung
der Lichtintensität
auf den Absorber nutzt. Die Funktionsweise des Spiegels 16 wird
anhand eines Querschnittes in 4a näher erläutert. Der
Spiegel 16 hat die Form eines Parabolspiegels mit einem
definierten Brennpunkt 17 bei senkrechter Einstrahlung 19.
In Längsrichtung
hat der Parabolspiegel 16 die Form einer Rinne, in der
sich die Kollektorröhre
mit Verspiegelung 4 des Hüllrohrs 1 und dem
inneren Rohr 2 befindet. Aus dem Brennpunkt 17 entsteht
auf diese Weise eine Brennlinie, die nicht dargestellt wurde. Das Kollektorrohr
ist in der parabolförmigen
Rinne so angeordnet, dass sich das innere Rohr 2 in der
Brennlinie bzw. dem Brennpunkt 17 entsprechend 4a des
Parabolspiegels 16 befindet. Ein Teil des Parabolspiegels 16,
als gestrichelte Linie dargestellt, wurde so ausgeweitet, dass das
Kollektorrohr mit einer Anordnung des inneren Rohrs 2 im
Brennpunkt 17 möglich
ist. Die Funktion des ausgeweiteten Parabolspiegelabschnittes zur
Lichtbündelung
wird durch die Verspiegelung 4 des Hüllrohrs 1 übernommen.
Die Hüllrohrverspiegelung 4 hat
statt einer paraboloiden eine runde Form. Auf diese Weise wird erreicht,
dass das Licht auch dann vollständig
auf den Absorber des inneren Rohrs 2 reflektiert wird,
wenn das Licht nicht genau senkrecht in den Parabolspiegel einstrahlt 18. 4b zeigt
in einem Querschnitt die Anordnung mehrerer Parabolspiegel 16 in
einem Kollektor mit mehreren Kollektorröhren mit den Hüllrohren 1.
Das Licht 10 trifft senkrecht oder mit geringer Abweichung von
der Senkrechten – bezogen
auf den Kollektorquerschnitt – auf
den Kollektor. Kollektorröhren 1 und Parabolspiegel 16 sind
so angeordnet, dass bei seitlicher Einstrahlung 10, wie
in 4c dargestellt, eine relative Bewegung zwischen
Kollektorröhren 1 und Parabolspiegel 16 entsteht,
bei der die Kollektorröhren 1 aus
dem Parabolspiegel 16 heraustreten und nicht durch den
Parabolspiegel 16 verschattet werden.
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5 zeigt
beispielhaft eine mögliche
Variante der Ankopplung von Kollektorröhren mit einem Hüllrohr 1 und
einem inneren Rohr 2 an einen Verteiler 9. Der
Verteiler 9 befindet sich in einem isolierten Gehäuse 21.
Die Isolierung 21 weist einen Hohlraum auf, in dem sich
eine spiralförmig
gewundene flexible Verbindung 20 zwischen den Anschlüssen 7 von
Verteiler 9 und Kollektorrohr 2 frei bewegen kann.
Die Kollektorröhre
ist am Anschluss 7 des inneren Rohrs 2 im Gehäuse mit
der Isolierung 21 drehbar gelagert 22 und kann
auf diese Weise der Energiequelle nachgeführt werden.
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In 6a bis 6c sind
vorteilhafte Varianten zur Kompensation unterschiedlicher Längenausdehnung
von Hüllrohr 1 und
innerem Rohr 2 dargestellt, die an beiden Enden fest miteinander
verbunden sind. Dabei dient das innere Rohr 2 der Lichtabsorption
und der Erwärmung
des Wärmeträgermediums.
Die Erwärmung
des Hüllrohrs 1 wird
durch ein Vakuum bzw. eine Edelgasfüllung 3 minimiert.
In 6a ist eine Vorrichtung zur Längenkompensation dargestellt,
die ähnlich
einem Faltenbalg 23a, alternierende Durchmesser des inneren
Rohres 2 aufweist. In 6b ist
eine Vorrichtungsvariante zur Längenkompensation 23b dargestellt,
bei der das innere Rohr 2 spiralförmig gewunden ist, um die auftretenden
Spannungen zwischen Hüllrohr 1 und
innerem Rohr 2 bei unterschiedlicher Längenausdehnung aufzunehmen. 6c zeigt
einen Längs-
und einen Querschnitt einer Kollektorröhre, bei der die Enden des
Hüllrohrs 1 und
des inneren Rohrs 2 fest miteinander verbunden sind. Zwischen
Hüllrohr 1 und
innerem Rohr 2, das zur Absorption von Lichtenergie dient,
befindet sich ein Vakuum bzw. eine Füllung mit einem schlecht wärmeleitenden
Gas 3, wie beispielsweise Xenon, zur Vermeidung von Konvektionswärmeverlusten.
Ohne Lichteinstrahlung ist das innere Rohr 2 kalt und befindet
sich im Bereich der stärksten Lichtbündelung 24 des
Spiegels 4. Bei Lichtabsorption durch das innere Rohr 2 und
ausreichender Wärmeabfuhr über das
im inneren Rohr 2 strömende Wärmeträgermedium
dehnt sich das innere Rohr 2 gegenüber dem Hüllrohr 1 nur wenig
aus und bleibt im Bereich der stärksten
Lichtbündelung
durch den Spiegel 4. Wird zu wenig Energie über das
Wärmeträgermedium
abtransportiert, erwärmt
sich das innere Rohr 2 starker und dehnt sich gegenüber dem Hüllrohr 1 entsprechend
starker aus. Die Ausdehnung des inneren Rohres 2 wird durch
eine bogenförmige
Verformung des inneren Rohrs 23c erreicht. Dabei bewegt
sich das innere Rohr 2 in Pfeilrichtung aus dem Bereich
der stärksten
Lichtbündelung 24 und
kompensiert eine unzureichende Wärmeabfuhr durch
eine niedrigere Einstrahlungsintensität auf den Absorber des inneren
Rohrs 2.
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7a zeigt
einen Längs-
und 7b einen Querschnitt einer Kollektorröhre bestehend
aus einem Hüllrohr 1,
das auf der Innenseite teilweise verspiegelt 4 ist, und
einem inneren Rohr 2, das an den Enden fest mit dem Hüllrohr 1 verbunden
ist. Zwischen Hüllrohr 1 und
innerem Rohr 2 besteht ein Vakuum oder der Raum ist mit
einem schlecht Wärme leitenden
Gas 3 gefüllt.
Das innere Rohr 2 besteht aus einem transparenten Material,
so dass es sich durch Lichteinstrahlung ähnlich stark erwärmt und
in seiner Länge
ausdehnt wie das Hüllrohr 1.
Zur Lichtabsorption befindet sich innerhalb des inneren Rohrs 2 ein
weiteres Rohr 25, das der Lichtabsorption dient und im
Weiteren als Absorberrohr bezeichnet wird. Das Absorberrohr 25 ist
so im inneren Rohr 2 arretiert 26, dass der Luftspalt
zwischen innerem Rohr 2 und Absorberrohr 25 abgedichtet
werden kann. Die Arretierung 26 kann auch in der Art erfolgen,
dass das Absorberrohr 25 relativ zum inneren Rohr 2 in
seiner Längsachse
drehbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, das Hüllrohr 1 mit
seiner Verspiegelung 4 so um das Absorberrohr 25 zu
drehen, dass das Licht optimal auf das Absorberrohr 25 gebündelt wird.
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Zur
Absorption dient eine selektive Beschichtung 6 und/oder
eine nicht selektive Beschichtung bzw. ein Granulatabsorber 5.
Im Absorberrohr 25 strömt
ein Wärmeträgermedium,
das der Wärmeabfuhr
des Absorberrohrs dient. Vorteilhafterweise kann die Arretierung 26 des
Absorberrohrs 25 so ausgeführt sein, dass die Dichtung
des Luftspaltes zwischen innerem Rohr 2 und Absorberrohr 25 in
Abhängigkeit
von der Temperatur und Längenausdehnung
des Absorberrohrs 25 geöffnet
oder geschlossen wird. Im Falle einer unzureichenden Wärmeabfuhr
des Absorberrohrs 25 dehnt sich dieses durch die Erwärmung stärker aus
als das innere Rohr 2, so dass die Dichtung den Spalt zwischen
innerem Rohr 2 und Absorberohr 25 öffnet. Erfolgt
die Öffnung
des Spaltes an beiden Enden der Kollektorröhre entsteht ein Luftstrom,
angetrieben durch die Thermik der erwärmten Luft im Spalt zwischen
den Röhren 2 und 25,
und es kann auf diese Weise Wärme
vom Absorberrohr abgeführt
werden.
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8 zeigt
den Aufbau und die Wirkungsweise des Granulatabsorbers. In einem
transparenten Rohr 27 befinden sich Granulatkörner 28,
die von einem Wärmeträgermedium 29 umströmt werden. Ein
Teil der Strahlung wird direkt vom Wärmeträgermedium absorbiert. Die restliche
Strahlung trifft auf die Granulatkörner 28 und wird dort
entweder absorbiert oder reflektiert. Der reflektierte Teil der
Strahlung wird entweder vom Wärmeträgermedium 29 absorbiert
oder trifft erneut auf ein Granulatkorn 28, so dass der
größte Teil
der Strahlung entweder direkt oder nach Reflexion ins Innere des
dreidimensionalen Granulatabsorbers 28 absorbiert wird.
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- 1
- Hüllrohr
- 2
- Inneres
Rohr
- 3
- Vakuum
bzw. Edelgasfüllung
- 4
- Verspiegelung
- 5
- Granulatabsorber
- 6
- Selektive
Beschichtung
- 7
- Anschluß für Verbindung
zwischen Verteiler und Kollektorröhre
- 8
- Vorlauf-Verteiler
- 9
- Rücklauf-Verteiler
- 10
- Strahlungsrichtung
der Energiequelle
- 11
- Verschattung
durch Verspiegelung
- 12
- Minderung
der Strahlungsintensität
auf die Absorptionsebene bei schräger Einstrahlung
- 13
- 100%
Strahlungsintensität
bei lotrechter Einstrahlung auf die Absorptionsebene
- 14
- Absorptionsebene
der Kollektorröhre
- 15
- Optisch
geschlossener Absorber
- 16
- Parabolspiegel
- 17
- Brennpunkt
des Parabolspiegels
- 18
- Reflexion
bei geringer Abweichung von senkrechter Einstrahlung
- 19
- Reflexion
bei senkrechter Einstrahlung
- 20
- Flexible
Verbindung zwischen Kollektorröhre und
Verteiler
- 21
- Isolierung
- 22
- Drehbare
Lagerung der Kollektorröhre
- 23
- Vorrichtung
zur Kompensation der Längenausdehnung
- 23a
- Faltenbalgähnliche
Vorrichtung zur Längenkompensation
- 23b
- Spiralförmige Vorrichtung
zur Längenkompensation
- 23c
- Bogenförmige Vorrichtung
zur Längenkompensation
- 24
- Brennpunkt
der Hüllrohrverspiegelung
- 25
- Absorberrohr
im inneren Rohr
- 26
- Arretierung
und Dichtung zwischen Absorberrohr und innerem Rohr
- 27
- Innenseite
des Absorberrohrs
- 28
- Granulatkörner
- 29
- Strömung des
Wärmeträgermediums