DE102006038560A1

DE102006038560A1 - Röhrenkollektoranordnung

Info

Publication number: DE102006038560A1
Application number: DE102006038560A
Authority: DE
Inventors: Stefan Soehn
Original assignee: Sohn Stefan
Current assignee: Sohn Stefan
Priority date: 2006-08-17
Filing date: 2006-08-17
Publication date: 2008-02-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Röhrenkollektoranordnung (10), insbesondere für eine Solaranlage, umfassend einen oder mehrere Sammler (20) und eine Mehrzahl von Röhren (40), dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (40) in mindestens zwei Ebenen (100, 200) aus im wesentlichen parallel angeordneten Röhren (40) angeordnet sind. Der besondere Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Absorberfläche, welche den Ertrag einer Solaranlage bestimmt, im Vergleich zur Aperturfläche und Gesamtfläche durch Anordnen von einer weiteren Ebene (200) oder weiteren Ebenen von Röhren vergrößert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Röhrenkollektoranordnung, insbesondere für eine Solaranlage, umfassend einen oder mehrere Sammler und eine Mehrzahl von Röhren, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren in mindestens zwei Ebenen aus im wesentlichen parallel angeordneten Röhren angeordnet sind.
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der thermischen Solaranlagen und findet Anwendung insbesondere bei Röhrenkollektoranlagen. Thermische Solaranlagen nutzen die Sonneneinstrahlung zur Erwärmung von Warmwasser und zu Heizzwecken. Eine Solaranlage besteht in der Regel aus einem Kollektor, einem Solarwärmespeicher, dem Solarkreislauf mit einem Solarmedium, welches die Wärme vom Kollektor in den Solarwärmespeicher transportiert, einer Pumpeinrichtung und einer Steuereinrichtung für die Steuerung der Pumpe.
Der Teil einer Solaranlage, welcher die Sonneneinstrahlung aufnimmt, wird als Kollektor bezeichnet. Man unterscheidet derzeit zwei Hauptkategorien, nämlich Flachkollektoren und Röhrenkollektoren. Ein Röhrenkollektor weist eine Anzahl von Röhren auf, welche an einem Ende in einem Sammler angeordnet sind. Der Sammler umfaßt auch die Leitungen des Solarkreislaufs, in welchem ein Solarmedium fließt. Das Solarmedium wird durch die Leitungen des Solarkreislaufs durch das Innere der Röhren geleitet und erwärmt sich dadurch. Diese Wärme ist die durch einen solchen Kollektor gewonnene Energie.
Es gibt eine Reihe von verschiedenen Röhrentypen, z.B. Vakuumröhren, Unterdruckröhren und Edelgasröhren. Bei der Art der Anordnung der Leitungen mit dem Solarmedium gibt es ebenfalls mehrere Möglichkeiten. So gibt es z.B. die sogenannten Heat-Pipes und die direkt-durchflossenen Röhren.
Die Röhren sind aus einem transparenten Material gefertigt, in der Regel Industrieglas. Im Inneren der Röhren befindet sich eine Absorberfläche, die zur Aufnahme der Sonnenenergie dient. Der Absorber ist in der Regel eine innen liegende Metallfläche oder -platte oder eine auf dem Innenrohr aufgesputterte Schicht bzw. eine Mehrzahl von Schichten aus einem oder mehreren Metallen, insbesondere werden hier eine oder mehrere Schichten oder Schichtkombinationen aus Aluminium, Kupfer, Edelstahl und Titan verwendet.
Eine Art der am häufigsten verwendeten Röhren sind Vakuumröhren, welche nach dem Thermoskannenprinzip hergestellt werden. Bei dieser Art Röhren kommen zwei konzentrisch angeordnete Glasrohre (Hüllrohr und Innenrohr) mit verschiedenen Durchmessern zum Einsatz, welche miteinander verschmolzen werden. Zwischen den beiden Glasrohren befindet sich ein Vakuum, und die somit doppelwandige Röhre ist an einem Ende offen und am anderen Ende geschlossen. 1 zeigt eine solche Vakuumröhre, wie sie derzeit auf dem Markt erhältlich ist. Derartige Vakuum-Röhren werden bereits in gängigen Standardgrößen produziert und verwendet, wobei die am häufigsten verwendeten Standardröhren einen Durchmesser (Außenrohrdurchmesser) von 58 mm bzw. 47 mm aufweisen und die Innenrohre jeweils Durchmesser von 47 mm und 36 mm haben. Die Röhren haben in der Regel eine Länge von 1,50 m. Es gibt aber Röhren in anderen Größen, insbesondere mit anderen Durchmessern.
Wie bereits erwähnt, ist bei den Vakuumröhren das Innenrohr mit der Absorberbeschichtung versehen. Bei der Herstellung wird die Absorberschicht rundum auf das Innenrohr aufgebracht, z.B. aufgesputtert. Somit steht bei solchen Röhren bei jedem Winkel der Sonneneinstrahlung theoretisch dieselbe Absorberfläche zur Verfügung. Es gibt aber auch einwandige Röhren, welche nur aus einem Hüllrohr bestehen, das vollkommen oben und unten verschlossen ist, und aus denen die Leitung(en), welche das Solarmedium führt (führen), heraustreten. Im Inneren dieser Röhren herrscht ebenfalls Vakuum bzw. Unterdruck, oder sie sind mit z.B. Edelgas gefüllt. Solche Röhren weisen meist eine innen liegende Absorberplatte bzw. Fläche auf, die ebenfalls selektiv beschichtet ist, um die Sonnenstrahlen effektiv einzufangen. Diese Absorberflächen können gerade bzw. flach sein, oder gebogen bzw. gewölbt. Selten werden auch die doppelwandigen Röhren ohne aufgebrachte Absorberschicht eingesetzt, welche dann im Inneren des Innenrohrs eine Absorberplatte aufweisen. Röhren, welche im Innern eine ebene Absorberplatte aufweisen, stellen, sofern sie nicht entsprechend dem Sonnenstand gedreht werden, je nach dem Einfallswinkel des Sonnenlichts eine unterschiedliche Absorberfläche zur Verfügung.
Die Absorberfläche ist nach DIN V 4757-4, Teil 4: Sonnenkollektoren, Bestimmung von Wirkungsgrad, Wärmekapazität und Druckabfall, November 1995, als das Produkt aus der projizierten, unbeschatteten Fläche eines Absorberstreifens und der Anzahl der Absorberstreifen zuzüglich der projizierten, unbeschatteten Fläche der Anschlußstutzen und Sammler definiert. Dies berücksichtigt nicht die zylindrische Absorberfläche bei Röhrenkollektoren. Der Durchmesser der einzelnen Innenrohre mit Absorberschicht multipliziert mit der Länge der Röhren (bezogen auf die sichtbare Absorberschicht) ergibt hier die Absorberfläche. Die physikalische Absorberfläche bei Röhrenkollektoren ist somit um den Faktor Pi größer ist als die nach der genannten DIN-Norm. Dies kann durchaus zu Wirkungsgraden größer 100% führen.
Der Durchmesser der einzelnen Röhren (Durchmesser des Hüllrohrs) multipliziert mit der Länge der Röhren (bezogen auf die sichtbare Absorberschicht, d.h. Länge der Röhre abzüglich des Bereichs, mit welchem die Röhre im Sammler steckt) ergibt die sogenannte Aperturfläche, welche derzeit in Deutschland Bezugsgröße für die Leistungsmessung eines Kollektors ist. Bei Röhrenkollektoren ohne Reflektor ist die Aperturfläche nach DIN V 4757-4, Teil 4: Sonnenkollektoren, Bestimmung von Wirkungsgrad, Wärmekapazität und Druckabfall, November 1995, definiert als das Produkt aus dem Innendurchmesser der Röhren, der unbeschatteten zylindrischen Innenlänge der Röhren und der Anzahl der Röhren des Kollektors.
Da die eigentliche Leistung eines Solarkollektors aus der Absorption des Lichts durch die unbeschattete Absorberfläche erbracht wird, ist, je höher die Absorberfläche im Verhältnis zur Aperturfläche ist, der gemessene Ertrag bei der Leistungsmessung desto höher.
Eine weitere zu berücksichtigende Größe ist die Gesamtfläche eines Kollektors. Die Gesamtfläche eines Solarkollektors ist die Fläche, welche benötigt wird, um den Kollektor mit allen seinen Teilen, welche der Sonneneinstrahlung ausgesetzt werden, zu montieren, z.B. auf dem Dach eines Gebäudes. Der Sammler trägt somit ebenfalls zur Gesamtfläche bei. Durch den Abstand zwischen den Röhren ist die Aperturfläche kleiner als die Gesamtfläche eines Solarkollektors.
In Solarkollektoren des Röhrenkollektor-Typs aus dem Stand der Technik sind die einzelnen Röhren in einer Ebene nebeneinander angeordnet und haben zueinander einen gewissen Abstand (z.B. 15 mm). Dieser Abstand ist notwendig, damit die Röhren sich auch bei mechanischen Einwirkungen bedingt durch Wind, Wetter und Umwelteinflüsse nicht berühren und sich gegenseitig zerstören. Außerdem verhindert ein solcher Abstand zwischen den Röhren die Ablagerung von Verschmutzungen. Auch dient die Einhaltung dieses Abstandes dazu, daß sich die einzelnen Röhren je nach Sonnenstand nicht gegenseitig beschatten und so die Leistung reduzieren, da Teile der Absorberfläche nicht mehr von der Sonne beschienen werden. Die Einhaltung eines Abstands zwischen den Röhren hat jedoch den Nachteil, daß die Absorberfläche erheblich kleiner ist als die Gesamtfläche des Kollektors. Die Absorberfläche ist bedingt durch den doppelwandigen Aufbau der Vakuumröhren ohnehin kleiner als die Aperturfläche.
Die derzeit auf dem Markt befindlichen Röhrenkollektoranlagen werden z.B. von Thermomax Ltd., Bangor, GB; Paradigma Energie- und Umwelttechnik GmbH & Co. KG, Karlsbad, DE; und Apricus Solar Co. Ltd. Nanjing, CN, eines australisch-chinesischen Joint Venture vertrieben.
Gerade bei thermischen Solaranlagen für den Einsatz in privaten Haushalten ist die Dachfläche oft begrenzt. Es ist daher ein großer Nachteil, wenn die Absorberfläche, welche für den Ertrag eines Kollektors verantwortlich ist, bedeutend kleiner ist als die Gesamtfläche.
Da ein gewisser Abstand zwischen den einzelnen Röhren unvermeidlich ist, hat man im Stand der Technik bereits versucht, dieses Problem zu lösen. Eine Lösung bestand darin, unter den Röhren parabolische Hohlspiegel (CPC (Compound Parabolic Concentrator)-Spiegel,) anzuordnen, welche das einfallende Sonnenlicht auf die Röhren reflektieren. Da bei doppelwandigen Vakuumröhren die Absorberschicht rundum auf dem Innenrohr vorliegt, kann durch einen solchen Spiegel mehr Absorberfläche genutzt werden als ohne Spiegel, insbesondere bei schräg einfallendem Sonnenlicht.
Solarkollektoren mit CPC-Spiegeln sind beispielsweise bekannt aus DE 197 14 774 A1 und EP 1 284 395 A2 .
Ein Nachteil solcher Anlagen mit CPC-Spiegeln ist jedoch, daß derartige Spiegel Umwelteinflüssen ausgesetzt sind und dadurch leicht verschmutzen bzw. vermoosen. Die Spiegel sind aus technischen Gründen nicht aus Glas gefertigt, wie die Röhren, sondern meist aus Metall. Während Glas eine gewisse selbstreinigende Eigenschaft hat, verschmutzen Metallbleche viel eher. Ein verschmutzter Spiegel kann dann das Sonnenlicht nicht mehr ausreichend reflektieren, was zu einer Verringerung der Leistung des Solarkollektors führt. Ein weiterer Nachteil bei den CPC-Anlagen ist der noch größere Platzbedarf, da der Abstand zwischen den Röhren noch größer sein muß als bei Anlagen, welche keine Spiegel einsetzen. Des weiteren haben diese Anlagen mit CPC-Spiegel, bedingt durch die durchgehende Fläche des CPC-Spiegels, einen höheren Windwiderstand als z.B. Anlagen ohne CPC-Spiegel.
Es besteht daher nach wie vor ein Bedarf an Solarkollektoren, welche pro Gesamtfläche des Kollektors eine möglichst große Absorberfläche aufweisen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher die Bereitstellung eines Solarkollektors, welcher die Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise beseitigt.
Diese Aufgabe wird durch eine Röhrenkollektoranordnung und eine Solaranlage gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst, wobei die Unteransprüche bevorzugte Ausführungsformen darstellen.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung daher eine Röhrenkollektoranordnung, insbesondere für eine Solaranlage, umfassend einen oder mehrere Sammler und eine Mehrzahl von Röhren, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Röhren in mindestens zwei Ebenen aus im wesentlichen parallel angeordneten Röhren angeordnet sind.
Der Vorteil einer solchen erfindungsgemäßen Anordnung von Röhren liegt darin, daß pro Gesamtfläche mehr Absorberfläche von der Sonneneinstrahlung getroffen wird. Bei der herkömmlichen Anordnung aus dem Stand der Technik mit nur einer einzigen Ebene von Röhren geht viel Absorberfläche verloren, zum einen durch den Abstand zwischen Hüllrohr und Innenrohr, und zum anderen durch den Abstand zwischen den Röhren. Die Lösung aus dem Stand der Technik mit den CPC-Spiegeln konnte dieses Problem nur unzureichend lösen.
Bei der vorliegenden Erfindung wird eine einfache Lösung bereitgestellt, indem die Absorberfläche durch Anordnen von einer weiteren Ebene oder weiteren Ebenen von Röhren vergrößert wird.
Bevorzugt ist die Verwendung von zwei Ebenen von Röhren. Es aber auch drei oder mehr Ebenen verwendet werden.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet eine Ebene von parallel angeordneten Röhren, daß mindestens zwei Röhren in Bezug auf ihre Längsachsen im wesentlichen parallel angeordnet sind. Eine Ebene von Röhren mit gleichem Durchmesser ist gegeben, wenn ihre Längsachsen im wesentlichen in einer Ebene liegen. Dies ist in 3 dargestellt. Bei einer Ebene von Röhren mit unterschiedlichem Durchmesser liegen entweder, wie bei der Ebene Röhren mit gleichem Durchmesser, ihre Längsachsen im wesentlichen in einer Ebene; oder aber die Umkreise der Röhren haben eine gemeinsame Tangente. Eine solche Ebene von Röhren ist in 4 dargestellt.
Wie bereits erwähnt, kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine Ebene von Röhren aus gleichgroßen oder verschieden großen Röhren bestehen. Dabei ist insbesondere gemeint, daß die Röhren gleiche oder unterschiedliche Durchmesser aufweisen können. In einer Ausführungsform kann der Kollektor mehrere Ebenen von Röhren aufweisen, wobei die Röhren jeweils den gleichen Durchmesser haben. In einer weiteren Ausführungsform können die Röhren einer Ebene unterschiedliche Röhrendurchmesser aufweisen. Es ist auch möglich, daß zwar die Röhren einer Ebene jeweils gleiche Durchmesser haben, daß aber die einzelnen Ebenen Röhren unterschiedlichen Durchmessers haben. Bevorzugt ist eine Variante, bei die Röhren der oberen Ebene einen größeren oder kleineren Röhrendurchmesser aufweisen als die Röhren der unteren Ebene.
Die Röhren der mindestens zwei Ebenen können entweder in Bezug auf ihre Längsachsen kongruent oder versetzt angeordnet sein.
In einer Ausführungsform, welche die kongruente Anordnung verwirklicht, werden z.B. zwei Ebenen von Röhren direkt übereinander angeordnet (siehe z.B. 5). Das heißt, die obere Ebene von Röhren liegt mit jeder Röhre genau über der entsprechenden Röhre der darunterliegenden Ebene. Senkrecht von oben betrachtet ist also nur die obere Ebene von Röhren sichtbar, die darunterliegende Ebene, d.h. die Absorberschichten der unteren Röhren, werden im wesentlichen vollständig durch die oberen Röhren bzw. deren Absorberschichten beschattet.
Diese Anordnung kann bei gewissen Winkeln der Sonneneinstrahlung von Vorteil sein, beispielsweise wenn das Sonnenlicht die meiste Zeit schräg einfällt. Bei einer Sonneneinstrahlung von in etwa 90°, d.h. wenn das Sonnenlicht genau senkrecht auf die Ebene(n) von Röhren des Kollektor trifft, wird oft mehr Energie als notwendig erzeugt. Dies kann z.B. dazu führen, daß die Röhren bzw. das in ihrem Inneren fließende Solarmedium zu stark erhitzt werden. Dies führt zu einer Verringerung der Lebensdauer der Röhren. Diese Situation kann insbesondere eintreten, wenn aufgrund der bereits erreichten Deckung des Energiebedarfs die Pumpeinrichtung für das Solarmedium abgeschaltet wird.
Die verschiedenen Ebenen von Röhren müssen aber nicht genau kongruent übereinander angeordnet sein. Es ist möglich, die Ebenen in jeder beliebigen Art und Weise übereinander anzuordnen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Ebenen gegeneinander versetzt angeordnet. Dabei liegen die Röhren der verschiedenen Ebenen zwar parallel in bezug auf ihre Längsachsen, jedoch sind sie nicht kongruent. Eine solche Ausführungsform ist z.B. in 6 dargestellt.
Der Vorteil von versetzt angeordneten Ebenen von Röhren liegt darin, daß die Zwischenräume zwischen den von der Sonneneinstrahlung getroffenen Absorberflächen der oberen Ebene von Röhren genutzt werden können, da sich in diesen Zwischenräumen weitere Absorberflächen von darunter angeordneten Röhren befinden.
Bei der Ausführungsform mit versetzt angeordneten Ebenen von Röhren können die Ebene so versetzt sein, daß die Längsachsen der Röhren der einen Ebene in Bezug auf die Längsachsen der Röhren der zweiten Ebene im Querschnitt als Punkte betrachtet gleichseitige Dreiecke bilden. Das heißt, die Längsachsen der Röhren der unteren Ebene liegen genau mittig in den Zwischenräumen zwischen den Längsachsen der Röhren der darüberliegenden Ebene.
Es ist aber auch möglich, die Röhren einer zweiten (oder weiteren) Ebene in Bezug auf eine erste Ebene so anzuordnen, daß die Röhren der weiteren Ebene nicht genau mittig in den Zwischenräumen zwischen den Längsachsen der Röhren der ersten Ebene angeordnet sind. Dies kann von Vorteil sein, wenn die Sonneneinstrahlung hauptsächlich schräg aus einer Richtung auf den Kollektor auftrifft.
Die Abstände zwischen den einzelnen Röhren einer Ebene und zwischen den Röhren verschiedener Ebenen, sowie die Abstände der Ebenen untereinander variieren je nach der gewünschten Position des Kollektors, welche z.B. durch die Himmelsrichtung, in welche die Dachschräge verläuft, oder durch den Neigungswinkel des Dachs, bestimmt sein kann.
Bei der Anordnung der Röhren in der Ausführungsform mit den gegeneinander versetzen Ebenen ist einerseits darauf zu achten, daß bei jedem Eintrittswinkel der Sonneneinstrahlung möglichst viel Absorberfläche von der Sonneneinstrahlung getroffen wird. Dies ist am einfachsten zu verwirklichen, indem die Abstände zwischen den einzelnen Röhren und auch zwischen den einzelnen Ebenen möglichst klein gehalten werden. Andererseits führt dies dazu, daß bei jedem Einfallswinkel der Sonneneinstrahlung immer ein gewisser Anteil an Absorberfläche beschattet ist, d.h. das Röhrenmaterial wird nicht optimal ausgenutzt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform mit zwei Röhrenebenen ist der Abstand zwischen den Röhren der oberen Ebene und der Abstand zwischen den Röhren der unteren Ebene jeweils so gewählt, daß bei senkrecht auf den Kollektor einfallender Sonneneinstrahlung die von der Sonneneinstrahlung getroffenen Absorberflächen direkt aneinander angrenzen, d.h. im wesentlichen einander nicht beschatten und keine Zwischenräume sichtbar sind. Eine solche Ausführungsform ist in 7 dargestellt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Röhren so angeordnet, daß sich die Absorberflächen bei senkrecht einfallender Sonneneinstrahlung zumindest teilweise beschatten. Dies kann von Vorteil sein, wenn eine senkrechte Sonneneinstrahlung (z.B. aufgrund der Ausrichtung oder Neigung des Dachs nicht erreicht werden kann). Wenn die Ebenen so versetzt angeordnet sind, daß sich die Absorberflächen bei senkrechter Einstrahlung teilweise beschatten würden, kann erreicht werden, daß sie bei schräg einfallendem Licht die Absorberflächen optimal ausnutzen, d.h. daß diese dann bezogen auf die Einstrahlung direkt aneinander angrenzen. Der Grad der Überlappung und die Seite der Überlappung (nicht mittig versetzt Röhren) hängt dann von der Montage eines solchen Kollektors auf dem Dach ab.
Je nach Bedarf kann hierbei kann eine jeweilige Beschattung der unteren Absorberschichten durch die oberen Absorberschichten (bezogen auf einen Sonneinstrahlungs-Einfallswinkel von 90°) von 1% oder mehr gewählt werden, vorzugsweise 5%, stärker bevorzugt 10%, 20%, 25%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% und bis zu 100% gewählt werden.
Die Anzahl der Röhren einer Ebene kann je nach gewünschter Leistung des Solarkollektors, nach dem Durchmesser der einzelnen Röhren und deren Anordnung vom Fachmann ausgewählt werden.
In einer Ausführungsform sind alle Röhren in einem gemeinsamen Sammler verankert, welcher auch die Leitungen für den Solarkreislauf beherbergt. In dieser Ausführungsform sind die Röhren untereinander nicht beweglich. Ein gemeinsamer Sammler hat den Vorteil, daß ein Kollektor dieser Art leicht zu Montieren ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die jeweiligen Ebenen von Röhren gegeneinander beweglich angeordnet. Um dies zu erreichen, können beispielsweise mehrere Sammler verwendet werden, z.B. einer pro Ebene von Röhren.
Gegeneinander beweglich angeordnet bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, daß die Ebenen von Röhren gegeneinander verschiebbar, rotierbar oder kippbar angeordnet sind. Dies kann bevorzugt mittels mehrerer, die Position ändernder Sammler erfolgen, oder in einem Sammler, in denen die einzelnen Ebenen in der Position veränderbar sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die mindestens zwei Ebenen in einer Ebene gegeneinander verschiebbar angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform (siehe z.B. 7), sind mehrere Sammler mit den jeweiligen Ebenen von Röhren gegeneinander in der Richtung quer zur den Längsachsen der Röhren verschiebbar. Dadurch können die Röhren der verschiedenen Ebenen jeweils dem aktuellen Sonnenstand angemessen gegeneinander verschoben werden.
Die Sammler sind daher vorzugsweise untereinander mit einer Gleiteinheit verbunden, welche das Verschieben der einzelnen Ebenen gegeneinander ermöglicht. Der Fachmann ist ohne weiteres in der Lage, derartige Sammler mit Gleiteinheit herzustellen. Es kann hierbei z.B. eine Gleitschiene verwendet werden. Es versteht sich von selbst, daß, da die Röhren in der Regel nur an einem Ende in einem Sammler stecken, die Röhren auch an der anderen Seite untereinander bzw. an dem Sammler befestigt sein müssen, um ein gleichmäßiges Bewegen der Röhren ohne Berührung derselben untereinander zu ermöglichen. Derartige Befestigungseinrichtungen sind vom Fachmann ohne weiteres aufzufinden.
Bei den beweglichen Ausführungsformen umfaßt der erfindungsgemäße Kollektor weiterhin vorzugsweise eine Steuereinheit zum Steuern der Bewegung der Sammler bzw. der einzelnen Ebenen.
Wie bereits erwähnt, kann es von Vorteil sein, anstelle von zwei Ebenen drei oder mehr Ebenen von Röhren zu verwenden. Da die Röhren inzwischen günstig hergestellt werden können und das kostenaufwendigste einer Solaranlage nicht mehr das Material sondern die Montage ist, stellen die erfindungsgemäßen Ausführungsformen zusätzlich zu den bereits genannten Vorteilen eine kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Solaranlagen, insbesondere zu solchen mit teuren CPC-Spiegeln dar.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Solaranlage, welche eine Röhrenkollektoranordnung der vorliegenden Erfindung umfaßt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugtes Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Figurenbeschreibung
1 zeigt eine seitliche Längsschnittsansicht eines herkömmlichen Vakuumröhren-Kollektors 10.
2 zeigt eine schematische Draufsicht eines herkömmlichen Vakuumröhren-Kollektors 10 mit einer herkömmlichen Anordnung der Röhren 40 in einer Ebene 100.
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Röhrenanordnung 10 mit mehreren Röhren 40 entlang der Linie A-A, wie in 1 gezeigt, wobei die Röhren 40 den gleichen Durchmesser haben.
Bei dieser und den folgenden Figuren sind die Röhren 40 nur noch schematisch dargestellt, d.h. das Hüllrohr 42 ist durch einen Kreis dargestellt, und das Innenrohr 44 mit der Absorberschicht 46 ist als eine einziger Kreis mit einer fetteren Linie als für das Hüllrohr 42 dargestellt.
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer Röhrenanordnung 10 mit mehreren Röhren 40 entlang der Linie A-A, wie in 1 gezeigt, wobei die Röhren 40 verschiedene Durchmesser haben.
5 zeigt eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Röhrenanordnung 10 mit Röhren 40 entlang der Linie A-A, wie in 1 gezeigt, in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei die Röhren 40 der beiden Ebenen 100, 200 kongruent übereinander angeordnet sind.
6 und 7 zeigen jeweils eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Röhrenanordnung 10 mit Röhren 40 entlang der Linie A-A, wie in 1 gezeigt, in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei die Röhren 40 der beiden Ebenen 100, 200 versetzt angeordnet sind.
8 zeigt eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Röhrenanordnung 10 mit je einem Sammler 20 pro Ebene 100, 200 Röhren 40, wobei die Sammler 20 gegeneinander verschiebbar sind.
9 zeigt eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Röhrenanordnung 10 mit je einem Sammler 20 pro Ebene 100, 200 Röhren 40, wobei die Sammler 20 gegeneinander kippbar sind.
Bei der nachfolgenden Figurenbeschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Bauteile.
In 1 ist eine herkömmliche Vakuumröhre 40 im Längsschnitt, sowie ein die Röhre 40 teilweise umschließender Sammler 20, sowie eine Leitung 30 für den Solarkreislauf (nicht in der Schnittansicht) dargestellt. Die Röhre 40 ist eine Vakuumröhre, welche zwei konzentrische Glasrohre, ein äußeres Hüllrohr 42 und eine Innenrohr 44 aufweist. Zwischen dem Hüllrohr 42 und dem Innenrohr 44 herrscht ein Vakuum. Das Innenrohr 44 ist auf seiner Außenseite (d.h. auf der Vakuumseite) mit einem Absorber (46) rundum beschichtet.
In 2 ist eine Draufsicht eines herkömmlichen Kollektors 10 mit einer einzigen Ebene 100 Röhren 40 dargestellt, wobei die Röhren 40 an einem Ende in einem Sammler 20 stecken, welche auch die Leitungen des Solarkreislaufs (nicht gezeigt) beherbergt.
In 3 ist eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Röhrenanordnung 10 mit mehreren Röhren 40 entlang der Linie A-A, wie in 1 gezeigt, wobei die Röhren 40 den gleichen Durchmesser haben. Die gestrichelte Linie verbindet die im Querschnitt als Punkte dargestellten Längsachsen der Röhren.
Pfeile markieren jeweils den Abstand der einzelnen Hüllrohre zueinander, sowie dem Abstand der einzelnen Innenrohre 44 bzw. Absorberflächen 46 zueinander, bedingt durch den nötigen Abstand der einzelnen Hüllrohre 42 zueinander.
Der Pfeil a markiert den Abstand der Röhren untereinander (bezogen auf den Außendurchmesser der Röhren). Der Pfeil b markiert den Abstand der Absorberflächen untereinander.
Bei einer solchen Anordnung der Röhren 40 (5 Stück) ergibt sich z.B. bei Einsatz von Röhren mit ∅ 47 mm Hüllrohr und ∅ 37 mm Innenrohr und einer Röhrenlänge von 1500 mm, mit Abstand der Hüllrohre 42 zueinander von 15 mm, eine Gesamtbreite von 295 mm, eine Gesamtfläche von 0,4425 m², eine Aperturfläche von 0,3525 m² und eine Absorberfläche von 0,2775 m².
Die Absorberfläche beträgt hier also nur 78,72% der Aperturfläche, 62,71% der Gesamtfläche, d.h. 37,29 % der Gesamtfläche sind leistungsbezogen inaktiv.
In 4 ist eine Querschnittsansicht einer Röhrenanordnung 10 mit mehreren Röhren 40 entlang der Linie A-A, wie in 1 gezeigt, wobei die Röhren 40 unterschiedliche Durchmesser haben. Die gestrichelte Linie stellt die Tangente der Umkreise der Röhren 40 dar.
Der Pfeil a markiert den Abstand der Röhren untereinander (bezogen auf den Außendurchmesser der Röhren). Der Pfeil b markiert den Abstand der Absorberflächen untereinander.
In 5 ist eine Ausführungsform für die Anordnung von Röhren 40 in einem erfindungsgemäßen Kollektor 10 dargestellt, wobei die Röhren 40 in zwei Ebenen 100, 200 angeordnet sind und eine jede Röhre 40 der oberen Ebene 100 genau kongruent auf einer Röhre 40 der unteren Ebene 200 angeordnet ist.
In 6 ist eine Ausführungsform für die Anordnung von Röhren 40 in einem erfindungsgemäßen Kollektor 10 dargestellt, wobei die Röhren 40 in zwei Ebenen 100, 200 angeordnet sind und die Röhren der oberen 100 und unteren 200 Ebene versetzt angeordnet sind. Hier beschatten bei senkrechter Sonneneinstrahlung die Absorberschichten 46 der oberen Röhren 40 die Absorberschichten 46 der unteren Röhren 40 zum Teil.
Bei der oberen Ebene 100 der Röhren zählt der Außendurchmesser der Röhren als Bezug für die Aperturfläche. Der Pfeil a markiert den Abstand der Röhren untereinander (bezogen auf den Außendurchmesser der Röhren). Die gepunktete Linie zeigt den Abstand der Absorberschichten 46 und die Beschattung der unteren Absorberschichten 46 durch die oberen. Der Pfeil b markiert den Abstand der Absorberflächen zueinander. Dieser Abstand ist wichtig für die Berechnung der Aperturfläche und Absorberfläche der unteren Ebene 200 (hier 25 mm). Bei der unteren Ebene 200 der Röhren 40 zählt der Abstand der Absorberflächen der Röhren 40 der oberen Ebene 100 als Bezug für die Aperturfläche und Absorberfläche.
Diese und die folgenden Berechnungen für die nachfolgenden Figuren beziehen sich immer auf den Fall der senkrechten Sonneneinstrahlung.
Bei einer solchen Anordnung der Röhren 40 (7 Stück) ergibt sich z.B. bei Einsatz von Röhren 40 mit ∅ 47 mm Hüllrohr 42 und ∅ 37 mm Innenrohr 44 und einer Röhrenlänge von 1500 mm, mit Abstand der Hüllrohre 42 zueinander von 15 mm, eine Gesamtbreite von 233 mm, eine Gesamtfläche von 0,349 m², eine Aperturfläche der oberen Ebene 100 von 0,2115 m² und der unteren Ebene 200 von 0,1605 m² (Gesamtfläche der Apertur oben und unten = 0,372 m²) und eine Absorberfläche der oberen Ebene 100 von 0,1665 m² und der unteren Ebene 200 von 0,145 m² (Gesamtfläche des Absorbers 46 oben und unten = 0,3115 m²) Die Absorberfläche beträgt hier also schon 83,7% der Aperturfläche, 89,25% der Gesamtfläche, d.h. nur noch 10,75 % der Gesamtfläche sind leistungsbezogen inaktiv.
In 7 ist eine bevorzugte Ausführungsform für die Anordnung von Röhren 40 in einem erfindungsgemäßen Kollektor 10 dargestellt, wobei die Röhren 40 in zwei Ebenen 100, 200 angeordnet sind und die Röhren der oberen 100 und unteren 200 Ebene versetzt und mit größerem Abstand als in der Ausführungsform von 6 angeordnet sind. Hierbei sind die Röhren 40 so angeordnet, daß der Abstand zwischen den Röhren 40 der einen Ebene 100 und der Abstand zwischen den Röhren der anderen Ebene 200 jeweils so gewählt ist, daß bei senkrecht auf die Röhrenkollektoranordnung (10) einfallender Sonneneinstrahlung die von der Sonneneinstrahlung getroffenen Absorberschichten (46) direkt aneinander angrenzen.
Bei der oberen Ebene 100 der Röhren zählt der Außendurchmesser der Röhren als Bezug für die Aperturfläche. Die gepunktete Linie zeigt, daß der Abstand der Röhren 40 der oberen 100 und der unteren Ebene 200 so gewählt ist, daß bei senkrechter Betrachtung die sichtbaren Absorberschichten aneinander angrenzen.
Der Pfeil a markiert den Abstand der Röhren untereinander (bezogen auf den Außendurchmesser der Röhren). Der Pfeil b markiert den Abstand der Absorberflächen zueinander. Die ist die Berechnungsgrundlage für die Aperturfläche und Absorberfläche der unteren Ebene 200 (hier 37 mm). Bei der unteren Ebene 200 der Röhren 40, zählt der Abstand der Absorberflächen der Röhren 40 der oberen Ebene 100 als Bezug für die Aperturfläche und Absorberfläche.
Bei einer solchen Anordnung der Röhren 40 (5 Stück) ergibt sich z.B. bei Einsatz von Röhren mit ∅ 47 mm Hüllrohr und ∅ 37 mm Innenrohr und einer Röhrenlänge von 1500 mm, mit Abstand der Hüllrohre 42 zueinander von 27 mm, eine Gesamtbreite von 195 mm, eine Gesamtfläche von 0,2925 m², eine Aperturfläche der oberen Ebene 100 von 0,141 m² und der unteren Ebene 200 von 0,1815 m² (Gesamtfläche der Apertur oben und unten = 0,3225 m²) und eine Absorberfläche der oberen Ebene 100 von 0,111 m² und der unteren Ebene 200 von 0,1665 m² (Gesamtfläche des Absorbers oben und unten = 0,2775 m²) Die Absorberfläche beträgt hier also schon 86% der Aperturfläche, 94,87% der Gesamtfläche, d.h. nur noch 5,13 % der Gesamtfläche sind leistungsbezogen inaktiv.
8 zeigt eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Röhrenanordnung 10 mit je einem Sammler 20 pro Ebene 100, 200 Röhren 40, wobei die Sammler 20 gegeneinander verschiebbar sind. Die beiden Ebenen 100, 200 können je nach Sonnenstand gegeneinander verschoben werden. Nicht gezeigt ist eine Gleiteinrichtung, welche das Verschieben der beiden Sammler 20 gegeneinander ermöglicht. 8a) zeigt die Sammler 20, wenn sie direkt übereinander liegen. Der Pfeil in 8b) zeigt die Richtung der Verschiebung an.
Diese Anordnung hat den Vorteil daß die Röhren 40, welche je nach Sonnenstand und maximaler Temperatur verschoben werden können, um die bestmögliche Einstrahlung zu erhalten. Die beiden Ebenen 100, 200 können auch in eine Position geschoben werden, in der sie kongruent übereinander liegen z.B. zum Schutz vor Übertemperatur bei Erreichen der benötigen Energie oder bei Ausschalten der Pumpe bei Sollerreichung des Wärmespeichers.
In 8b) ist eine Verschiebung der Ebenen 100, 200 dargestellt, wie sie z.B. die bestmögliche Ausnutzung bei 90° Sonneneinstrahlung und 0° Südausrichtung mit 30° Dachneigung (z.B. mittags) ermöglicht.
9 zeigt eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Röhrenanordnung 10 mit je einem Sammler 20 pro Ebene 100, 200 Röhren 40, wobei die Sammler gegeneinander kippbar sind. Hierbei sind die beiden dargestellten Sammler 20 an einem Ende z.B. mit einem Scharnier (nicht dargestellt) miteinander verbunden. Der Pfeil zeigt die Richtung des Kippens der oberen Ebene 100 von Röhren 40.

10: Kollektor, Röhrenkollektoranordnung
20: Sammler
30: Leitungen des Solarkreislaufs
40: Röhre, Vakuumröhre
42: Hüllrohr
44: Innenrohr
46: Absorberschicht
100: Erste Ebene, obere Ebene
200: Zweite Ebene, untere Ebene

Claims

Röhrenkollektoranordnung (10), insbesondere für eine Solaranlage, umfassend einen oder mehrere Sammler (20) und eine Mehrzahl von Röhren (40), dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (40) in mindestens zwei Ebenen (100, 200) aus im wesentlichen parallel angeordneten Röhren (40) angeordnet sind.
Röhrenkollektoranordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (40) einer ersten Ebene (100) in Bezug auf die Röhren (40) einer weiteren Ebene (200) versetzt oder kongruent angeordnet sind.
Röhrenkollektoranordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Ebenen (100, 200) von Röhren (40) mit einem Hüllrohr (42) und einem mit einer Absorberschicht (46) versehenen Innenrohr (44) aufweist und der Abstand zwischen den Röhren (40) der einen Ebene (100) und der Abstand zwischen den Röhren der anderen Ebene (200) jeweils so gewählt ist, daß bei senkrecht auf die Röhrenkollektoranordnung (10) einfallender Sonneneinstrahlung die von der Sonneneinstrahlung getroffenen Absorberschichten (46) im wesentlichen einander nicht beschatten und keine Zwischenräume zwischen ihnen sichtbar sind.
Röhrenkollektoranordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Ebenen (100, 200) von Röhren (40) mit einem Hüllrohr (42) und einem mit einer Absorberschicht (46) versehenen Innenrohr (44) aufweist und die Röhren der jeweiligen Ebenen (100, 200) so angeordnet sind, daß bei senkrecht auf die Röhrenkollektoranordnung (10) einfallender Sonneneinstrahlung die von der Sonneneinstrahlung getroffenen Absorberschichten (46) der Röhren (40) der einen Ebene (100) die Absorberschichten (46) der Röhren (40) der anderen Ebene (200) zumindest teilweise beschatten.
Röhrenkollektoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (40) alle in einem einzigen Sammler (20) angeordnet sind.
Röhrenkollektoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Ebenen (100, 200) von Röhren (40) in Bezug aufeinander beweglich angeordnet sind.
Röhrenkollektoranordnung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Ebenen (100, 200) in einer Ebene gegeneinander verschiebbar angeordnet sind.
Röhrenkollektoranordnung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Ebenen (100, 200) gegeneinander klappbar angeordnet sind.
Röhrenkollektoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (40) in mindestens drei Ebenen (100, 200) aus im wesentlichen parallel angeordneten Röhren (40) angeordnet sind.
Röhrenkollektoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4 und 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (40) aus jeweils derselben Ebene (100, 200) in einem separaten Sammler (20) angeordnet sind.
Röhrenkollektoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (40) einer Ebene (100) gleiche oder unterschiedliche Durchmesser haben.
Solaranlage, umfassend eine Röhrenkollektoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.