DE19818773A1

DE19818773A1 - Solarkollektorelement und Solarkollektor mit einer Mehrzahl derartiger Elemente

Info

Publication number: DE19818773A1
Application number: DE19818773A
Authority: DE
Inventors: Peter Lutz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-04-27
Filing date: 1998-04-27
Publication date: 1999-11-04

Abstract

Bekannte Hochleistungssolarkollektoren weisen häufig Vakuumdurchführungen auf, was deren Zuverlässigkeit einschränkt. Werden Vakuumdurchführungen vermieden, ist der Wirkungsgrad häufig nicht hoch genug. Es wird ein Solarkollektorelement mit einem doppelwandigen Hohlkörper bereitgestellt, der einen Innenraum umgibt, und der eine den Innenraum begrenzende innere Wandung und eine die innere Wandung umgebende äußere Wandung umfaßt. Die innere und die äußere Wandung sind im Abstand zueinander angeordnet und begrenzt durch einen vakuumdichtabschließbaren Isolierraum. Die innere Wandung ist wenigstens teilweise mit Absorbermaterial beschichtet und die äußere Wandung umfaßt einen ersten Bereich, der für Solarstrahlung durchlässig ist, und einen zweiten Bereich, der verspiegelt ist. Im Innenraum ist eine Wärmetauscheinrichtung zum Abführen der Wärme angeordnet. Erfindungsgemäß ist der zweite Bereich derart geformt, daß durch den ersten Bereich einfallende Solarstrahlung auf die Absorberschicht der inneren Wandung reflektiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Solarkollektorelement nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 sowie einen Solarkollektor mit derartigen Solarkollektorelementen nach Anspruch 11.

Hochleistungs-Solarkollektorelemente verwenden häufig evakuierte Hohlkörper in denen Absorberelemente angeordnet sind. Die Hohlkörper sind zu Zwecken der Isolation evakuiert. Um die im Absorber entstehende Wärme aus dem evakuierten Hohlkörper herausführen zu können, sind Vakuum durchführungen notwendig. Aufgrund der hohen Temperaturen und insbesondere der hohen Temperaturunterschiede zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Hohlkörpers stellen diese Vakuumdurchführungen ein die Lebensdauer derartiger Solar kollektorelemente wesentlich begrenzendes Element dar.

Um derartige Vakuumdurchführungen zu vermeiden, ist es aus der DE-A-44 07 968 bekannt den Hohlkörper nach Art eines Dewar-Gefäßes doppelwandig aufzubauen, wobei eine innere Wandung und eine äußere Wandung im Abstand zueinan der angeordnet sind und einen Isolierraum begrenzen. Die innere Wandung begrenzt einen einseitig offenen Innenraum, der dem Nutzraum des Dewar-Gefäßes entspricht. Die innere Wandung ist teilweise mit einem Absorbermaterial beschichtet, das durch die äußere Wandung hindurchtretende Solarstrahlung aufgeheizt wird. Im Innenraum ist eine Wärmetauschereinrichtung angeordnet, durch die die im Absorber entstehende Wärme abgeführt werden kann. Durch diesen Aufbau nach Art eines Dewar-Gefäßes erübrigen sich Vakuumdurchführungen für die Wärmetauschereinrichtung, was zu einer erhöhten Lebensdauer des Solarkollektorelements führt. Ein vergleichbarer Solarkollektor mit doppelwandigem Hohlkörper ist auch aus der DE-PS 32 14 088 bekannt.

Aus der DE-OS 41 23 096 ist ebenfalls ein Solarkollektor mit doppelwandigem Hohlkörper bekannt. Dieser Solarkollektor unterscheidet sich jedoch von dem Solarkollektorelement nach der DE-A-44 07 968 dadurch, daß sozusagen der Boden des Dewar-Gefäßes abgeschnitten und mit einem Deckel versehen ist. Darüberhinaus umfaßt dieser bekannte Solarkollektor seitlich angeordnete Spiegel element, die einfallend Solarstrahlung, die nicht direkt auf den evakuierten doppelwandigen Hohlkörper fällt, in in den Hohlkörper hinein reflektiert. Auf diese Weise lassen sich noch effizientere Solarkollektorelemente bereit stellen.

Schließlich ist aus der DE-OS 39 08 363 ein Solarkol lektorelement bekannt, das im wesentlichen aus einem ein fachen Hohlkörper besteht, der im Querschnitt die Form eines auf dem Bauch liegenden Buchstaben "B" hat. Der gerade Bereich des B-förmigen Querschnitts ist der Solarstrahlung zugewandt. An seiner Innenseite ist der gerade Bereich des B-förmigen Querschnitts mit dem Absorber versehen. Durch den doppelt bauchigen Teil des B-förmigen Querschnitts werden einfallende Solarstrahlen, die nicht unmittelbar auf den Absorber treffen zu diesem reflektiert, so daß die Effizienz erhöht wird. Nachteilig bei diesem bekannten Solarkollektorelement ist es, daß für die Wärmetauscheinrichtung Vakuumdurchführungen verwendet werden müssen. Darüber hinaus besteht ein wesentlicher Nachteil darin, daß durch die ungünstige Anbringung des Absorbers Wärmeverluste durch Wärmeleitung zu den Bäuchen des B-förmigen Querschnitts auftritt.

Ausgehend von der DE-OS 44 07 968 ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Solarkollektorelement zu schaffen, das Vakuumdurchführungen vermeidet und einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Solarkollektor mit einer Mehrzahl derartiger Solarkollektorelemente anzugeben.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 11.

Dadurch, daß die der Solarstrahlung abgewandte, zweite Bereich der äußeren Wandung so geformt ist, daß die durch den ersten Bereich der äußeren Wandung einfallenden auf den zweiten Bereich auftreffenden Sonnenstrahlen auf den Absor ber reflektiert werden, wird die Temperatur am Absorber und damit die Effizienz des erfindungsgemäßen Solarkollek torelements erhöht. Durch die Kombination des doppelwandi gen, dewarartigen Hohlkörpers, wie er aus der DE-OS 44 07 968 bekannt ist, mit den an sich aus der DE-39 08 363 bekannten in den Hohlkörper integrierten Spiegeln wird er reicht, daß zum einen Vakuumdurchführungen vermieden werden und zum anderen wird ein Hochtemperatur-Solarkollektor element bereitgestellt. In der DE-39 08 363 ist die Ausfüh rungsform (Fig. 2), die erfindungsgemäß mit dem dewararti gen Hohlkörper gemäß der DE-OS 4 47 968 kombiniert wird, als nachteilig bezeichnet, da durch die mechanische und damit thermische Verbindung zwischen Absorberträger und Spiegelflächen Wärmeverluste auftreten. Dieser Nachteil wird durch die erfindungsgemäße Kombination vermieden, da die den Absorber tragende innere Wandung im Querschnitt eben keine Verbindung mit der verspiegelten äußeren Wandung hat.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Solarkollektorelement langgestreckt und der ver spiegelte zweite Bereich der äußeren Wandung weißt im Quer schnitt die Form einer liegenden "3" auf. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Innenraum nach Art eines Dewars - von einer Seite her abgeschlossen.

Gemäß einer alternativen Ausbildungsform sind die äuße re und die innere Wandung wie zwei Zylinder ineinander ge schachtelt und an den Stirnseiten entweder miteinander verschmolzen oder durch eine Platte abgedeckt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Hohlkörper einstückig ausgebildet und besteht vorzugs weise aus Glas. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausge staltung ist der erste Bereich der äußeren Wandung so be schichtet, daß zwar Solarstrahlung von außen nach innen dringen kann jedoch nicht von innen nach außen.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungs form sind auf der Innenseite der äußeren Wandung quer zur Längsrichtung des Solarkollektorelements umlaufende Stege vorgesehen, die mit der inneren Wandung nicht in Berührung kommen. Durch diese Stege wird die Stabilität des Solarkol lektorelements wesentlich erhöht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erste Bereich der äußeren Wandung mit einer holographischen Linse beschichtet. Dadurch werden schräg eintreffende Solarstrahlen dennoch sicher auf dem Absorber gebündelt, so daß wiederum eine Leistungs steigerung erfolgt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind im Isolierraum zwischen innerer und äußerer Wandung Abstandselemente angeordnet, durch die Vibrationen und damit im Zusammenhang mit den hohen Temperaturunter schieden auftretende Brüche vermieden werden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfin dung ergeben sich aus der Beschreibung bevorzugter Ausfüh rungsformen anhand der Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform bei der der Innenraum von zwei Seiten her zugänglich ist.

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit Stegen zur Stabilisierung,

Fig. 3a eine Vorderansicht einer dritten Ausführungsform, bei der der Innenraum nur von einer Seite her zugänglich ist,

Fig. 3b eine Seitenansicht des vorderen Teils der dritten Ausführungsform,

Fig. 3c eine Draufsicht auf den vorderen Teil der dritten Ausführungsform,

Fig. 3d einen Längsschnitt durch den hinteren Teil der dritten Ausführungsform, und

Fig. 3e eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 3d.

Fig. 1 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform der Erfindung mit einem doppelwandigen Hohlkörper 2, der eine äußere, ringförmig geschlossene Wandung 4 und eine von dem Zylinder der äußeren Wandung 4 umschlossenen inneren zylindrischen Wandung 6 umfaßt. Durch die im Abstand voneinander angeordnete äußere und innere Wandung 4 und 6 wird ein Isolierraum 8 gebildet, der evakuiert ist. Die innere Wandung 6 umschließt einen Innenraum 10. Die äußere Wandung 4 umfaßt einen ersten der Solarstrahlung zugewandten Bereich 12 und einen zweiten Bereich 14, der dem ersten Bereich gegenüber liegt und zwar derart, daß zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 der Innenraum 10 bzw. die innere Wandung 6 angeordnet ist. Der zweite Bereich 14 weist im Querschnitt die Form einer liegenden 3 auf und ist auf seiner dem Isolierraum 8 zugewandten Seite verspiegelt, was mit dem Bezugs Zeichen 16 bezeichnet ist. Auf der dem Isolierraum 8 zugewandten Seite der inneren Wandung 6 ist eine Absorberschicht 18 aufgebracht.

Die Form des zweiten Bereichs 14 ist so gewählt, daß durch den ersten Bereich 12 hindurchtretende Solarstrahlung von dem Spiegel 16 auf den Absorber 18 auf der inneren Wandung 6 geworfen wird. Die im Absorber 18 erzeugte Wärme wird über eine Wärmetauschereinrichtung 19 abgeführt, die in dem Innenraum 10 angeordnet ist. Die Stirnflächen 20 und 21 zwischen der äußeren Wandung 4 und der inneren Wandung 6 werden durch eine nicht näher dargestellte Platte vakuumdicht verschlossen. Vorzugsweise bestehen diese Stirnplatten aus dem gleichen Material wie die äußere und innere Wandung 4 und 6, nämlich aus Glas, so daß die äußere und innere Wandung und die Stirnplatten miteinander verschmolzen werden können. Ggf. sind diese Platten zusätzlich teilweise oder ganz verspiegelt.

Fig. 2 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform lediglich dadurch unterscheidet, daß auf der Innenseite der äußeren Wandung 4 Stege 22 angeordnet sind, die in den Isolierraum 8 hineinragen. Die Stege 22 verlaufen in Querrichtung und sind über die Längsrichtung im Abstand zueinander verteilt. Durch diese Stege 22 wird die Stabi lität des Hohlkörpers 2 erhöht, was insbesondere bei sehr langen Solarkollektorelementen vorteilhaft ist.

Die Fig. 3a bis 3e zeigen eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei der Innenraum 10 nur von der linken Stirnseite 20 her zugänglich ist. Fig. 3a zeigt eine Vorderansicht auf die Stirnseite 20 mit dem offenen Innenraum 10. Fig. 3b zeigt eine Seitenansicht des vorderen Teils der dritten Ausführungsform des Solarkollektors gemäß der vorliegenden Erfindung und Fig. 3c eine Draufsicht auf den vorderen Teil aus Richtung der einfallenden Solarstrahlung.

Die Fig. 3d und 3e zeigen Schnitte durch den hinteren Teil der dritten Ausführungsform mit geschlossenem Innenraum 10. Fig. 3d zeigt einen Längsschnitt entlang der Linie B-B in Fig. 3e und Fig. 3e zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 3d. Der abgeschlossene Teil des Innenraums 10 bzw. der fingerartig ausgebildeten innere Wandung 6 wird durch eine Haltevorrichtung 24 elastisch fixiert. Die Haltevorrichtung 24 umfaßt ein bzw. mehrere Halteelemente 26, die sich von der Stirnplatte 21 in Längsrichtung nach innen in den Isolierraum erstrecken, mit dem Finger der inneren Wandung 6 überlappen und im Abstand zu der inneren Wandung 6 angeordnet sind. Die Haltevorrichtung 24 umfaßt weiter ein oder mehrere Federelemente 28, z. B. in Form von ringförmig geschlossenen Spiralfedern, die die innere Wandung 6 und den Abstand zwischen innerer Wandung 6 und Halteelement 26 ausfüllen. Die Haltevorrichtung 26 nimmt auf diese Weise sowohl Längenausdehnungen des Innenraums 10 bzw. der fingerartigen inneren Wandung 6 als auch Querausdehnungen auf und fixiert somit die innere Wandung 6 elastisch. Dadurch werden Vibrationen gedämpft bzw. verhindert und Brüche vermieden.

Bezugszeichenliste

2

doppelwandiger Hohlkörper

4

äußere Wandung

6

innere Wandung

8

Isolierraum

10

Innenraum

12

erster Bereich von

4

14

zweiter Bereich von

4

16

Verspiegelung des zweiten Bereichs

18

Absorber

19

Wärmetauschereinrichtung

20

Stirnfläche von

2

21

Stirnfläche von

2

22

Steg

24

Haltevorrichtung

26

Halteelemente

28

Federelemente

Claims

1. Solarkollektorelement mit
einem doppelwandigen Hohlkörper (2), der einen Innenraum (10) umgibt und der eine den Innenraum (10) begrenzende innere Wandung (6) und eine die innere Wandung (6) umgebende äußere Wandung (4) umfaßt,
wobei die innere und die äußere Wandung (4, 6) im Abstand zueinander angeordnet sind und einen vakuumdicht abschließbaren Isolierraum (8) begrenzen,
wobei die innere Wandung (6) wenigstens teilweise mit Absorbermaterial (18) beschichtet ist,
wobei die äußere Wandung (4) einen der Solarstrahlung unmittelbar zugewandten ersten Bereich (12) aufweist, der für Solarstrahlung durchlässig ist,
und wobei die äußere Wandung (4) einen zweiten Bereich (14) aufweist, der verspiegelt (16) ist und der bezüglich des Innenraums (10) dem ersten Bereich (12) gegenüberliegend angeordnet ist,
und einer in dem Innenraum (10) angeordneten Wärmetauschereinrichtung (19) zum Abführen der Wärme, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Bereich (14) derart geformt ist, daß durch den ersten Bereich (12) einfallende Solarstrahlung auf die Absorberschicht (18) der inneren Wandung (6) reflektiert wird.

2. Solarkollektorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (2) langgestreckt ist und daß der zweite Bereich (14) der äußeren Wandung (4) in Schnittansicht quer zur Längenerstreckung des Hohlkörpers (2) die Form einer liegenden Drei aufweist über deren Mitte der Innenraum (19) angeordnet ist.

3. Solarkollektorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (10) nur von einer Seite her zugänglich ist.

4. Solarkollektorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das geschlossene Ende des Innenraums (10) durch eine Haltevorrichtung (24) elastisch fixiert ist.

5. Solarkollektorelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (24) wenigstens ein Halteelement (26) aufweist, das sich von der Stirnseite (21) her in den Isolierraum (8) erstreckt, mit dem Innenraum (10) überlappt und im Abstand zu der inneren Wandung (6) angeordnet ist, und daß die die Haltevorrichtung (24) ein oder mehrere Federelemente (28) umfaßt, die die innere Wandung (6) umschließen und den Abstand zwischen innerer Wandung (6) und Halteelement (26) ausfüllen.

6. Solarkollektorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (10) von zwei Seiten (20, 21) her zugänglich ist.

7. Solarkollektorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (2) einstückig ausgebildet ist.

8. Solarkollektorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich (12) derart beschichtet ist, daß er nur für Strahlung von außen nach innen durchlässig ist.

9. Solarkollektorelement nach einem der verhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der äußeren Wandung (4) wenigstens ein sich in den Isolierraum (8) erstreckender, im Querschnitt umlaufende Steg (22) angeordnet ist.

10. Solarkollektorelement nach einem der verhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich (12) der äußeren Wandung (4) mit einer holografischen Linse beschichtet ist.

11. Solarkollektorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Isolierraum zwischen der äußeren Wandung wenigstens ein Abstandshalter vorgesehen ist, der den Innenraum umgreift und der eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist.

12. Solarkollektor gekennzeichnet durch eine Mehrzahl nebeneinander angeordneter und miteinander gekoppelter Solarkollektorelemente nach einem der vorhergehenden Ansprüche.