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Die
Erfindung betrifft einen Vakuum-Rohr-Solarkollektor für die Sammlung
solarer Energie zur Erzeugung von Wärme, indem durch ein für Solarstrahlung
transparentes Hüllrohr
diese solare Strahlung auf eine Absorberfläche fällt, die sich innerhalb des
Hüllrohres
befindet, welche eine selektive Beschichtung besitzt, die die solare
Energie in einem weiten Spektralbereich absorbieren kann, wobei
die Energie als Wärme
an ein Wärmeausleitrohr übertragen
wird, wobei die Übertragung
sowohl über
ein Wärmerohr
oder direkt über
eine Flüssigkeit übertragen
wird, welche die Wärme
zu den Verbrauchern transportiert, wobei als Verbraucher Heizanlagen
für Wasser,
Raumheizung, Kühlaggregate,
Trinkwassererzeugung und Prozesswärmebereitstellung in Frage
kommen, wobei der Absorber beim Dewar-Typ beispielsweise in Patent
DE 26 54 143 vom 30.11.1976 beschrieben,
sich auf einem Innenrohr aus Glas befindet, dass mit dem Hüllrohr verschmolzen
ist, wobei der Raum zwischen Hüllrohr
und Innenrohr evakuiert ist, um eine gute thermische Isolierung
zu erzielen. In einer weiteren Ausführungsvariante befindet sich
innerhalb des evakuierten Hüllrohes
ein häufig
nicht zentrisch angeordnetes Wärmeausleitrohr,
dass mit Absorbermaterial beschichtet ist oder aus einem die solare
Energie absorbierenden Material besteht, wobei häufig Spiegel bzw. Verspiegelungen
die solare Energie auf das Absorberrohr lenken, wie es beispielsweise
in der Offenlegungsschrift
DE
43 18 127 A1 vom 01.06.1993 beschrieben ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
eines Vakuum-Rohr-Solarkollektors ist der Absorber, der sich auch im
evakuierten Innenraum des Hüllrohres
befindet, als eine zwar möglicherweise
strukturierte aber weitgehend ebene Fläche ausgebildet, die mit einem
Wärmeausleitrohr
durch Schweißen,
Löten oder
Pressen thermisch verbunden ist, wobei das Wärmeausleitrohr über eine
Glas-Metall-Verbindung, die den Innenraum des Hüllrohres an einem Ende vakuumdicht
abschließt,
den evakuierten Innenraum des Solarkollektors verlässt, wobei die
Ausleitung der Wärme
auch durch ein Wärmerohr
erfol gen kann, was eine trockene Anbindung des anzuschließenden Systems
erlauben würde.
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Nachstehend
wird nur auf den letzten beschriebenen Typ eines Rohr-Solarkollektors
eingegangen, der beispielsweise in seiner Grundform im USA-Patent
Nr. 3,227,153 vom 4. Januar 1966 beschrieben ist. In diesem Patent
wird ein evakuiertes Glasrohr, in dem sich ein flacher Absorber
mit einem Strömungskanal
für die wärmeausleitende
Flüssigkeit
befindet, patentiert.
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Charakteristisch
für diesen
Rohr-Solarkollektor ist, dass er, wenn er nicht wie gemäß USA-Patent
Nr. 3,227,153 dargestellt, vollkommen aus Glas hergestellt wurde,
eine vakuumdichte Glas-Metall-Verbindung zum Ausleiten der Wärmeenergie
benötigt,
da das Wärmeausleitrohr
aus dem evakuierten Innenraum des Solarkollektors herausgeführt werden
muss.
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Stand der Technik, Glas-Metall-Verbindung
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Bekannt
sind nach „Werkstoffkunde
der Hochvakuumtechnik",
Berlin, Verlag Julius Springer, 1936 Glas-Metall-Verbindungen für Gläser mit
sehr geringem Ausdehnungskoeffizienten, wie Quartz- oder Borosilikatgläser, Metalleinschmelzungen
mit Zwischengläsern.
An ein solches Glasrohr wird eine Reihe von Zwischengläsern mit
jeweils zunehmenden Ausdehnungskoeffizienten angeschmolzen, bis
das Metall unmittelbar angeschmolzen werden kann.
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Nachteilig
bei dieser Lösung
sind die Kompliziertheit und die sehr hohen Aufwendungen für das Anschmelzen
des Zwischenglases bzw. der Zwischengläser (Schachtelhalm), da ein
solches Verfahren praktisch nicht automatisierungsfähig ist.
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Bekannt
ist auch das USA-Patent US 2005/0181925A1 vom 18. August 2005, bei
dem das Ziel darin besteht, eine automatische Produktionstechnologie
zu ermöglichen.
Bei diesem Schutzrecht wird für
zwei verschiedene Borosilikatgläser
eine im Ausdehnungskoeffizienten entsprechende Metalllegierung angegeben, die
einen Ausdehnungskoeffizienten von 5 E-6/K aufweist und mit der
eine Rohranschmelzung möglich
ist, wobei das Glasrohr mit einem Metallrohr vakuumdicht verschmolzen
wird, indem das dünnwandige
Metallrohr in den Rand des dickwandigen Glasrohres eintaucht.
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Nachteilig
bei dieser Lösung
ist, dass sie nicht für
Kalk-Natron-Gläser
geeignet ist und dass die Herstellung der Glas-Metall-Verbindung
ein mehrstufiger Prozess ist, da das Metallrohr seinerseits über ein
Verbindungsstück
mit dem Wärmeausleitrohr
vakuumdicht verbunden werden muss.
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Bekannt
sind nach „Technologie
der Glasverschmelzungen" Leipzig
1961, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig KG so genannte Rohranschmelzungen
von Metallrohren an Glasrohren. Gemeinsam ist diesen Rohranschmelzungen,
dass das Metallrohr in den erhitzten Glasrand eintaucht bzw. einseitig
angeschmolzen wird. Besteht eine größere Differenz in den Ausdehnungskoeffizienten
zwischen dem Metall und dem Glas ist das Metall schneidenförmig auszuformen.
Dicke der Metallschneide, Steigung der Schneide und Breite der Anschmelzungen
hängen
vom Durchmesser des vakuumdicht anzuschmelzenden Metallrohrs ab und
sind in oben genannter Schrift für
Kupferrohre angegeben.
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Nachteilig
bei der angegebenen Lösung
ist die vergleichsweise aufwendige Schneidenvorbereitung und dass
das axiale Eintauchen der Schneide für viele Glas-Metall-Verbindungen technologisch
ungünstig
ist, da es bei größeren Rohrdurchmessern
nur unter höchsten
Aufwendungen beherrscht wird und deshalb üblicherweise ein Glasteil,
das die Durchmesserdifferenz ausgleicht, zwischengeschaltet wird.
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Bekannt
ist nach USA-Patent Nr. 4,231,353 vom 4. November 1980 ein das Hüllrohr umfassender
rotationssymmetrischer Deckel, der so ausgeformt ist, dass das Hüllrohr in
eine eingeprägte
Rinne am äußern Rand
eingreift, die mit einem anfänglich
flüssigem
Material, üblicherweise
Bleiglaspulver, dass in der Rinne zum Schmelzen gebracht wird, eintaucht
und dort erstarrt. Durch die Mitte des Deckels wird das Wärmeausleitrohr
zum Fortleiten der Wärme
geführt
und mit dem Deckel vakuumdicht verbunden.
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Nachteilig
bei diesem Verfahren sind die erheblichen Prozesszeiten durch das
erforderliche Aufschmelzen des Bleiglaspulvers und das komplizierte
Handhaben von De ckel und Hüllrohr,
so dass das vorgeschlagene Verfahren nur mit höchsten technischen Aufwendungen
automatisierbar ist.
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Bekannt
sind auch Glas-Metall-Verbindungen nach „Werkstoffkunde der Hochvakuumtechnik", Berlin, Verlag
Julius Springer, 1936. Auch hier sind die vakuumdicht anzuschmelzenden
Rohre mit entsprechenden Schneiden ausgestattet, um unterschiedliche
Dehnungen von Glas und Metall bei Temperaturveränderungen auszugleichen. Die
Nachteile entsprechen den oben beschriebenen.
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Stand der
Technik Hüllrohr
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Eine
weitere entscheidende Komponente für die Qualität eines
Vakuum-Rohr-Solarkollektors
ist das Hüllrohr,
dass weitgehend für
die Solarstrahlung offen sein muss, damit die Absorberfläche den
größten Teil des
von der Sonne emittierten Lichts aufnehmen kann und diese solare
Energie nicht schon im Hüllrohr
absorbiert wird und damit der Energiegewinnung verlustig geht, wobei
das Hüllrohr
im hohen Maße
hagelschlagfest sein und auch eine hohe chemische Beständigkeit
aufweisen muss, um Korrosion des Hüllrohres zu verhindern, wobei
darüber
hinaus es erforderlich ist, dass das Hüllrohr thermischen Schwankungen
widersteht. Die Erfindung betrifft auch das Verfahren zur Herstellung
eines solchen Hüllrohrs.
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Bekannt
sind, Röhrenkollektoren
bzw. Vakuum-Solarkollektoren in verschiedensten Bauarten und Ausführungsformen,
wie beispielsweise das Schutzrecht
US
3,227, 153 vom 4. Januar 1966 in dem speziell geformte
Absorber sich innerhalb eines aus Glas gefertigten, transparenten
und evakuiertem Hüllrohres,
dass jedoch nicht näher
charakterisiert ist, beschrieben sind.
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In
der Schrift
DE 26 54 143 vom
30.11.1976 ist ein Röhrenkollektor
vom Dewar-Typ beschrieben, der aus einem Hüllrohr besteht, das aus Glas
hergestellt ist, und einem gläsernen
Innenrohr, das mit einem Absorber, wie beispielsweise mit Schwarzchrom,
beschichtet ist. Beide Rohre sind auf einer Seite miteinander verschmolzen.
Der Raum zwischen den beiden Rohren ist evakuiert, um die Wärmeisolation
zur Umgebung zu gewährleisten.
Das Glas der Rohre ist nicht näher
charakterisiert.
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Das
US Patent 4,231,353 vom 4. November 1980 beschreibt ein Vakuum-Solarkollektor-Rohr,
bei dem sich innerhalb des transparenten und evakuierten Hüllrohres
ein Wärmeausleitrohr
aus Metall befindet, mit dem eine Absorberfläche verbunden ist. Der Innenraum
des Hüllrohres
ist evakuiert, um die thermische Isolation des Absorbers gegen die
Umwelt zu gewährleisten.
Das Glas des Hüllrohres
ist nicht näher
charakterisiert.
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Nachteilig
bei den Erfindungen
US 3,227,153 ,
DE 2654 143 und
US 4,231,353 ist, dass das
Hüllglas nicht
näher charakterisiert
ist und damit nicht gesichert ist, das das Hüllrohr die oben aufgeführten Erfordernisse
erfüllt.
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Bekannt
ist auch die Patentschrift DD 218 160 A1 vom 03.06.1983 in der ein
Vakuum-Solarkollektor-Rohr
vom Dewar-Typ beschrieben ist. In diesem Patent wird das Hüllrohr auf
der Außenoberfläche mit
einer nicht näher
charakterisierten Antireflexschicht überschichtet.
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Bekannt
ist die Patentschrift
DE 736411 vom
28. Mai 1939. In diesem Patent wird beschrieben, dass durch Aufbringen
von porösen,
dünnen
Schichten, teilweise abwechselnd aus den Oxiden von Silizium oder Titan
die Reflektion für
bestimmte Wellenlängen
praktisch verhindert wird. In den Ansprüchen wird das Verfahren zum
Aufbringen der Schichten auf der Basis von wasserarmen, gelartigem
Oxidhydrat beschrieben.
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Bekannt
ist auch die Patentschrift
US
4,535,026 vom 29. Juni 1983 in der Borosilikat- und Kalk-Natron-Gläser mit
Siliziumdioxid überschichtet
werden um Antireflexionswirkung über
einen breiten Bereich der Strahlung zu erzielen. Im Patent werden
Anwendungen solcher Antireflexionsschichten von Siliziumdioxid für optische
Linsen und Solarkollektoren ausdrücklich beansprucht. Beansprucht
wird auch das Verfahren der Herstellung dieser Schicht. Die Siliziumdioxidschicht
wird mittels einer Alkohol-Wasser-Suspension auf das Glas aufgebracht.
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Nachteilig
bei dieser Herstellungsmethode ist die Anwendung von Alkohol, der
zu einem explosiven Dampf führen
kann und damit die Notwendigkeit eines Explosionsschutzes entsteht.
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Bekannt
ist auch die Patentschrift
DE
198 21 137 B4 vom 12.05.1998. In dieser Patentschrift,
die einen speziellen Dewar-Typ-Kollektor schützt, wird in der Beschreibung
festgehalten, dass das Hüllrohr
vorzugsweise aus Glas hergestellt werden sollte. Dabei werden eisenarmes
Kalk-Natronglas und eisenarmes Borosilikat-Glas bevorzugt.
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Nachteilig
bei Anwendung von Borosilikat-Glas sind die hohen technischen und
energetischen Aufwendungen bei der Herstellung und Verarbeitung
von Borosilikat-Glas. Daneben stellt auch die relativ große Gasdurchlässigkeit
von Borosilikat-Glas für
Gase mit kleinem Molekülradius
wie Wasserstoff und Helium ein Problem für die Langzeitvakuumstabilität des Kollektorrohres
dar, da die Gase auf Grund der relativ großen Gasdurchlässigkeit
in den evakuierten Innenraum eindringen und die thermische Isolation
verschlechtern (L. Holland „The
properties of glass surfaces",
2. Edition, London 1966 und Jousten Wutz Handbuch Vakuumtechnik,
8. Auflage, 2004).
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Nachteilig
bei der Anwendung von Kalk-Natron-Glas ist seine geringe chemische
Beständigkeit,
die bei Kondensationsbedingungen zu Korrosionen und damit zu Minderungen
der Leistung des Solarkollektors über längere Zeit führt. Darüber hinaus
führt der
hohe Ausdehnungskoeffizient von Kalk-Natron-Glas zu Glasspannungen
unter bestimmten Bedingungen, die zur Zerstörung des Kollektors führen können.
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Bekannt
ist die Patentschrift
DE
199 26051 A1 vom 08.06.1999, in der ein Solarkollektor
beschrieben ist, der aus wenigstens einem für das Sonnenlicht durchlässigen äußerem Hüllelement
und wenigstens einem innerhalb des Hüllelementes angeordnetem, das
Sonnenlicht absorbierenden Absorberelement sowie am Sonnenkollektor
angeordneten Anschluss und Dichteinrichtungen und das äußere Hüllelement
aus wenigstens einem oberen und einem unteren Pressglaselement besteht.
In der Beschreibung des Patentes wird auf die Möglichkeit verwiesen, vorzugsweise
das obere Pressglaselement mit einer porösen, nicht näher beschriebenen
Siliziumdioxidschicht, die durch ein Sol-Gel-Verfahren aufgebracht wird, zu entspiegeln.
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Bekannt
ist das Gebrauchsmuster
DE 298
08 532 vom 12.05.1998 in dem beansprucht wird, dass das Hüllrohr an
seiner Außenseite
mit einer Antireflexionsschicht bzw. Entspiegelungsschicht versehen
wird. Diese Entspiegelung erhöht
die nutzbare Sonnenstrahlung von ca. 92 % bis auf ca. 96 – 97 %.
In der Beschreibung wird ange merkt, dass die Antireflexionsschicht
beispielsweise aus porösem
Siliziumdioxid besteht und mit einem Sol-Gel-Verfahren aufgebracht
wird.
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Nachteilig
bei dem in dem Patent
DE 199
26051 und in dem Gebrauchsmustern
DE 298 08 532 beschriebenen Schichtaufbringungsprozess
ist, dass die Beschichtung des Glases durch ein solches Sol-Gel-Verfahren
sehr aufwendig ist (C. J. Brinker, Sol-Gel Science, Academic Press,
1990). Besonders kritisch ist, dass bei der Beschichtung wegen der
Verwendung von organischen Lösungs-
bzw. Dispergiermitteln in der Beschichtungslösung hochexplosive Dämpfe entstehen,
so dass die Beschichtungsanlagen für Ex-Schutz gebaut werden müssen.
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Stand der Technik, Befestigungselement
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Die
Absorberfläche,
die mit dem Wärmeausleitrohr
durch Schweißen,
Löten oder
Pressen verbunden wurde, muss im Hüllrohr fixiert werden.
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Erforderlich
ist dafür
ein Befestigungselement für
einen Solarkollektor-Rohr-Absorber zum Zweck der Fixierung des Absorberbleches
im Bereich des größten Durchmessers
des Hüllrohres
des Solarkollektors, wobei das Absorberblech wärmetechnisch und mechanisch
mit dem Wärmeausleitrohr
durch Lötung
oder Schweißung
und dieses seinerseits mittels Rohrverbindung mit dem Wärmeverbraucher
verbunden ist, wobei das Befestigungselement aus federndem Material
in Form von Draht oder Blech gefertigt ist und durch form- oder
kraftschlüssige
Verbindung mit dem Absorberblech verbunden ist, und die Fixierung
des Absorberbleches dadurch erreicht wird, dass das Befestigungselement
sich wenigstens dreimal, üblicherweise
aber viermal oder mehrfach federnd, gegen die Innenwand des Hüllrohres
abstützt
und gleichzeitig eine form- oder kraftschlüssige Verbindung zu dem Absorberblech
besteht, wobei zur Erreichung einer Fixierung des Absorberbleches
auf der Längsachse
des Hüllrohres
des Solarkollektors je nach Länge
des Vakuum-Rohr-Solarkollektors 1 bis 4 Einzelelemente erforderlich
sein können.
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Bekannt
ist das Patent
US 4,440,154 vom
25. Juni 1982 in dem ein Befestigungselement beansprucht wird, das
den Absorber eines rohrförmigen
Solarkollektors wendelartig umfasst, wobei die Enden des Befestigungselementes
sich gegen die innere Ober fläche
des Hüllkörpers abstützen. Darüber hinaus
wird beschrieben, dass das wendelähnliche Befestigungselement
aus Draht konstanter Stärke
gefertigt ist und sich über
den gesamten oder Teile des Absorbers erstreckt. In letzteren Fall
werden mehrere Befestigungselemente zum Fixieren des Absorbers genutzt.
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Bekannt
sind auch die Patente
JP 571
50 759 vom 17.September 1982 und
JP 580 86 350 vom 23.Mai 1983, in
denen das mit einem U-förmig
gebogenem Wärmeausleitrohr
verbundene Absorberblech durch ringförmige, das Absorberblech umfassende
in sich gewellte Spangen aus Federdraht fixiert wird. Auch in Patent
JP 581 53 050 vom 10. September
1983 wird der Absorber durch wendelähnliche Drähte, die den Absorber spiralförmig umfassen,
im Hüllrohr
fixiert.
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Nachteilig
bei den Patenten
US 4,440,154 sowie
JP 571 50 759 sowie
JP 580 86 350 und
JP 581 53 050 ist, dass
alle Patente von recht komplizierten Drahtformen ausgehen, die in
ihrer Herstellung komplizierte Form- und Schnittwerkzeuge erfordern
und einen hohen Materialeinsatz erfordern.
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Bekannt
ist auch Patent
JP 590 60 150 vom
6. April 1984. In diesem Patent wird das Absorberblech ringförmig von
mehreren federnden Befestigungselementen aus federndem Metall umfasst,
wobei die Durchmesser der ringförmigen
und federnden Befestigungselemente anfänglich kleiner als der innere
Durchmesser des Solarkollektors sind. Die Befestigung des Absorberbleches
erfolgt durch Abhängungen.
Die ringförmigen Befestigungselemente
wurden unter Spannung zu Ringen verlötet und fixieren das Absorberblech
gegen das Hüllrohr
erst, wenn das Absorberrohr soweit erhitzt wurde, dass die Lötungen schmelzen,
die Federn aufspringen und damit das Absorberblech in der Lage festhalten.
Eine solche Anordnung wurde gewählt,
um eine Beschädigung
des Solarkollektors beim Einschieben der Absorberfläche zu verhindern.
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Nachteilig
bei der in Patent
JP 590 60
150 beschriebenen Lösung
ist, dass die Herstellung der Befestigungselemente ein komplizierter
mehrstufiger Prozess ist:
- – Schneiden der verschieden
Blechstreifen
- – Herstellung
der Verbindung zwischen dem zu einem Ring zu formenden Streifen
und dem Verbindungsstreifen zum Absorberblech
- – Herstellen
der Verbindung zwischen Verbindungsstreifen und Absorberblech
- – Verlöten der
Ringe
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Bekannt
ist auch Patent
JP 590 95 339 vom
1. Juni 1984. In diesem Patent stützen sich federnde Bleche,
die T-förmig
mit den Absorberblechen verbunden sind, gegen den Hüllkolben
ab. Ein Ende der T-förmigen Federn
ist jeweils mit einem Kissen aus Kohlefasern versehen. Die Konstruktion
dient der Verhinderung von Glasbeschädigungen im Falle von Hagelschlag
in dem die Kissen als Dämpfung
wirken.
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Nachteilig
beim Patent
JP 590 95 339 ist
auch hier der hohe mehrstufige Fertigungsaufwand in dem die T-förmige Verbindung
aus den Blechstreifen hergestellt werden muss, von dem dann zusätzlich ein
Ende mit einem Schockabsorberkissen aus Kohlefasern versehen wird.
Auch hier ist ein aufwendiger Montageprozess erforderlich, um das
Befestigungselement mit dem Absorberblech zu verbinden, da pro Längsabschnitt, der
fixiert werden muss, zwei Verbindungselemente erforderlich sind.
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Bekannt
ist auch Patent
DE
199 19 835 A1 vom 30. April 1999. Beansprucht wird in diesem
Patent ein reversibles von der Temperatur abhängiger Befestigungselement,
das vollständig
oder teilweise aus einem Bimetall hergestellt wird. Mit diesem speziellen
Befestigungselement wird bewirkt, dass im Falle, dass keine Wärme dem
Kollektor entnommen wird und die Gefahr der Erreichung der Stagnationstemperatur
des Absorbers besteht, dieser an das Hüllrohr geführt wird. Die Vakuumisolation
geht in diesem Fall verloren und der Absorber kühlt ab.
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Nachteilig
beim Patent
DE 199
19 835 A1 ist die komplizierte Konstruktion des Befestigungselementes,
die viel Material in Spezialausführung
(zum Beispiel Bimetall) erfordert und der hohe Montageaufwand.
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Bekannt
ist auch ein auf dem Markt existierendes Vakuum-Kollektor-Rohr,
bei dem die erheblichen technischen und ökonomischen Aufwendungen der
in den Patenten beschriebenen Lösungen
dadurch gemindert wurden, dass zwei unterschiedlich gestaltete,
aus Federblech gefertigte Befestigungselemente so ineinander rasten,
dass zwischen ihnen das Absorberblech sich befindet und eine vierfache
federnde Abstützung gegen
das Hüllrohr
die Fixierung des Absorberbleches ermöglicht.
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Nachteilig
bei dieser Lösung
ist, dass zwei Befestigungselemente verwendet werden müssen und dass
das der Sonne zugewendete Befestigungselement den Absorber abdeckt
und die Strahlung reflektiert.
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Stand der Technik, Hüllrohrabschluss
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In
der konstruktiven und technologischen Gestaltung des Vakuum-Rohr-Solarkollektors
ist das Problem des Verschlusses des nicht die Glas-Metall-Verbindung
betreffenden Endes des Hüllrohres
zu lösen.
Dabei ist gleichzeitig eine Evakuierungsmöglichkeit für den Solarkollektor-Innenraum
zu schaffen
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Bekannt
ist die auf dem Markt befindliche Lösung, bei der ein Glasrohrabschnitt
durch thermische und mechanische Behandlung an seinem Rand so aufgeweitet
wird, dass dieser mit dem Hüllkolben
verschmolzen werden kann. Vor dem Verschmelzen des aufgeweiteten
Glasrohrabschnittes wird in das andere Ende des Glasrohrabschnittes
ein Pumprohr angeschmolzen, indem dieses andere Ende durch thermische
Behandlung und gegebenenfalls mechanische Formung im Durchmesser
so verringert wird, dass das Pumprohr, das im Durchmesser wesentlich
kleiner als der Glasrohrabschnitt ist, an dieses angeschmolzen werden
kann.
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Nachteilig
bei dieser Lösung
ist, das aufwendige Verfahren zur Herstellung des Hüllrohrabschlusses mit
Pumprohr, da spezielle Verschmelztechnologien angewandt werden müssen.
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Der
in den Schutzansprüchen
angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, kostengünstige und
leicht herzustellende Lösungen
für nachfolgende
Elemente des Vakuum-Rohr-Solarkollektors zu finden, im Einzelnen
für:
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1. Glas-Metall-Verbindung
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass ein speziell geformtes Verbindungsteil 1, siehe 1,
das aus einem Metall besteht, das den gleichen oder ei nen ähnlichen
Ausdehnungskoeffizienten wie das Glas des Hüllrohres 2 des Vakuum-Solarkollektors besitzt,
mit Sicken 6, die vorzugsweise ringförmig ausgebildet sind und zur
Aussteifung des Verbindungsteiles dienen, um dieses in die Lage
zu versetzen, dem Luftdruck ohne Verformungen zu widerstehen, wobei
das Verbindungsteil vakuumdicht mit dem Wärmeausleitrohr 3,
das auch das Absorberblech 4 trägt, vorzugsweise durch Schweißung oder
Lötung
verbunden ist, in das Hüllrohr 2 eingeschoben
wird, wobei das Glas des Hüllrohres über den
Rand des metallischen Verbindungsteiles der Glas-Metall-Verbindung
einige Millimeter ragt, so dass nach Erhitzung des Glases bis zur
Erweichung dieses nach innen geformt werden kann und durch innere
und äußere Formwerkzeuge
das Glas des Hüllkolbens
so an die äußere und
innere Oberfläche
des Randes des Verbindungsteiles gedrückt werden kann, dass eine
vakuumdichte und mechanisch stabile Verschmelzung 5 entsteht.
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2. Hüllrohr
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Erfindungsgemäß werden
die Nachteile, wie hoher Herstellungsaufwand für Borosilikat-Glas und aufwendiges,
teilweise explosionsgefährdetes
Beschichtungsverfahren, bei den bekannten Beschichtungsverfahren
für Vakuum-Solarkollektoren
dadurch vermieden, indem man kostengünstiges Kalk-Natron-Glas einsetzt und
durch die Beschichtung mit Nanoteilchen so in seinen Eigenschaften
verändert,
dass die beschriebenen Nachteile des Kalk-Natron-Glases nicht wirksam
werden. Erfindungsgemäß beschichtet
man die Innenoberfläche
wie auch die Außenoberfläche des
Glasrohres mit einer porösen
Schicht aus Metall- bzw. Nichtmetalloxid. Sollte es zweckdienlich
sein, kann auch nur die Außenoberfläche oder
die Innenoberfläche
beschichtet werden. Diese Beschichtung verbessert die Antireflexions-Eigenschaften
des Glases und darüber
hinaus auch die hydrolytischen Eigenschaften des Hüllrohres,
was heißt,
dass das Glas erheblich korrosionsfester und bei Taueinwirkung nicht
blind wird. Für
diese Beschichtung werden bevorzugt Siliziumdioxid-Nanoteilchen
verwendet und die geringen Beschichtungsaufwendungen werden dadurch
erreicht, indem als Dispersionsmittel für die Silizium-Suspension bevorzugt
Wasser verwendet und auf organische Lösungsmittel verzichtet wird.
Durch diese Beschichtung der Glasoberflächen erhöht sich die Transmission der
einfallenden Solarstrahlung von 92 auf 94 – 97 % und die Korrosionsfestigkeit
des Glases erhöht
sich deutlich.
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3. Befestigungselement
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Erfindungsgemäß werden
die Nachteile der bekannten Lösungen,
wie Anwendung von Spezialmaterialien, komplizierte Werkzeuge zum
Herstellen der Befestigungselemente, aufwendige Montage und Abdeckung
der Absorberfläche
durch Befestigungselemente durch nachfolgende Gestaltung und Verfahrensweisen vermieden:
- 1. Nur ein Befestigungselement 5,
gemäß 2,
wird pro Fixierungsstelle benutzt.
- 2. Das Befestigungselement wird aus federndem Blech hergestellt,
besteht aus einem Stück
und besitzt in den beiden Einrastbereichen rinnenförmige Vertiefungen,
die am Absorberblech einrasten.
- 3. Das Befestigungselement befindet sich auf der sonnenabgewandten
Seite.
- 4. Das Befestigungselement wird in flache Ausschnitte im Rand
des Absorberbleches eingerastet.
- 5. Das Befestigungselement besitzt Finger, die das Absorberblech
oberhalb und unterhalb der Absorberfläche gegen das Hüllrohr abstützen.
- 6. Die aus dem Blech geschnittenen und geformten des Befestigungselementes
sind so abgerundet, dass ein Zerkratzen des Hüllrohres beim Einschieben der
Absorberfläche
vermieden wird.
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4.Hüllrohrabschluss
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Erfindungsgemäß wird für die Herstellung
des evakuierbaren Hüllrohrabschlusses
ein so genannter „Teller", der auf einer Tellermaschine
produziert wird, indem man ein Ende eines Glasrohres bis zur Verformbarkeit
erhitzt und den Rand mit einem Werkzeug aufweitet. Danach wird der
Teller vom Glasrohr abgesprengt und getempert. Der Teller wird anschließend auf
eine Quetschfußmaschine übergeben.
Mit dem Teller werden auch ein Pumprohr 7 und ein Drahtabschnitt 8 eingegeben.
Die Maschine erhitzt den zylindrischen Teil des Quetschfußes bis
zur Erweichung. Dann werden der Teller, ein Glasrohr, das als Pumprohr
dient und Drahtabschnitt 8 so zusammengequetscht, dass
ein Quetschfuß 6 entsteht.
Durch Erhitzung und Druckluft wird das verquetschte Ende des Pumprohres
wieder freigeblasen, so dass die Evakuierung des Hüllrohres über das Pumprohr
erfolgen kann. Anschließend
erfolgt das Tempern des Quetschfußes. An den Quetschfuß wird am Haltedraht
ein Getterring 9 angeschweißt. Anschließend wird
der komplette Quetschfuß in
das Hüllrohr
eingeführt
und mit diesem verschweißt.
Das überstehende
Pumprohr 7 wird nach dem Evakuieren des Solarkollektors
abgeschmolzen und danach mit einer Schutzkappe vor mechanischen
Belastungen geschützt.
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Ausführungsbeispiel
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Ausgangspunkt
für die
Ausführung
eines Vakuum-Rohr-Solarkollektors ist ein Kalk-Natron-Glas-Hüllrohr
2, gemäß
1,
der Zusammensetzung:
SiO2 | 71,41
% |
Al2O3 | 2,20
% |
Fe2O3 | 0,03
% |
TiO2 | 0,05
% |
CaO | 4,90
% |
MgO | 3,40
% |
BaO | 0,03
% |
Na2O | 16,10
% |
K2O | 1,50
% |
SO3 | 0,30
% |
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Die
Beschichtung des Hüllrohres
erfolgt durch Tauchen und anschließendes langsames Herausziehen des
Rohres in eine Beschichtungssuspension folgender Zusammensetzung:
SiO2 | 1,00% |
Binder | 0,03% |
Netzmittel | 0,0015% |
Dispersionsmittel | deionisiertes
Wasser |
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Nach
dem Tauchen wird das Hüllrohr
langsam bei einer Geschwindigkeit von 0,016 m/s aus der Suspension
gezogen, wobei sich die Beschichtungen der inneren und der äu ßeren Oberflächen des
Hüllrohres ausbilden.
Die entstandenen Beschichtungen werden luftgetrocknet und anschließend bei
einer Temperatur von 450°C
getempert. Parameter
des Hüllrohrs:
Außendurchmesser | 55
mm |
Wandstärke | 1,8
mm |
Länge | 2000
mm |
Hüllrohrgewicht | 1470
g |
Entspiegelung
bzw. Transmission | 95,6
%. |
Schichtdicke | 150
nm |
Größe der Siliziumdioxid-Nanoteilchen | 12
nm |
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Das
Hüllrohr
widersteht einem Hagelschlagtest, bei dem eine Stahlkugel mit einer
Masse von 150 g, aus einer Höhe
von 400 mm auf das Rohr fällt.
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Die
Verbesserung der Korrosionseigenschaften des Glases wurde durch
Messung der Leitfähigkeit
eines Wassers, in das Proberohre unter definierten Bedingungen eingebracht
wurden, nachgewiesen. Die Leitfähigkeitsabnahme
betrug 50 %.
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In
das Hüllrohr 2 wird
die Absorberfläche 4 mit
Wärmeausleitrohr 3 und
Verbindungsteil 1 für
die Glas-Metall-Verbindung so eingeschoben, dass ein kleiner Glasüberstand
verbleibt (siehe 1).
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Als
Ausgangsmaterial für
das Verbindungsteil wurde nachstehende Legierung gewählt:
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Der
Ausdehnungskoeffizient des Verbindungsteils liegt bei dieser Legierungszusammensetzung
im Bereich des Ausdehnungskoeffizienten des Glases.
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Darüber hinaus
besitzt das Material eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit, so dass die thermischen Belastungen
der Verschmelzstelle der Glas-Metall-Verbindung relativ niedrig
sind, auch wenn die Stagnationstemperatur erreicht ist.
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Das
Verbindungsteil wird aus Blech einer Stärke von ca. 0,2 mm tiefgezogen.
Die später
vom Glas umschlossene Kante des Verbindungsteiles wird, um Spannungen
im Glas zu vermeiden abgerundet. Der Radius dieser Abrundung liegt
bei 0,1 mm. Abhängig
von der Art des späteren
Verschmelzprozesses mit dem Hüllglas kann
das Verbindungsteil in einem Glühofen
voroxidiert werden. Nach diesen Vorbehandlungen wird das Verbindungsteil
mit dem das Absorberblech tragenden Wärmeausleitrohr vakuumdicht,
vorzugsweise durch Schweißung
oder Lötung,
verbunden.
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Die
drei einteiligen Befestigungselemente 5, 2,
werden vor dem Einschieben aufgerastet. Nach dem Umlegen und Verschmelzen
des Glasüberstandes
mit der Glas-Metall-Verbindung
wird das vorbereitete Gestell gemäß 3, das Pumprohr 7,
Haltedraht 8 und Getterring 9 besitzt, in das
Hüllrohr 2 eingeschmolzen.
Nun erfolgt die Evakuierung unter gleichzeitigem Ausheizen, das
Verschmelzen des Pumprohres und das Aktivieren des Getters durch
induktive Erwärmung.
Abschließend
werden eine Schutzkappe 10 und eine Durchführung 11 gemäß 4 aufgesteckt.